PINGXIANGUNIVERSITY材料專業(yè)綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案項(xiàng)目名稱：燃燒法制備Zno:Al熒光粉系 別：材料與化學(xué)工程系專業(yè)班級：材料工程技術(shù)2012級學(xué)號：12360115學(xué)生姓名：李亞凱指導(dǎo)老師：陳林（副教授）時 間：2014年09月25日材料專業(yè)綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案1實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖煜ず驼莆語no：Al材料制備工藝過程及原理及性能測試與結(jié)構(gòu)表征；理解燃燒法工藝因素對材料性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的影響；培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力、科學(xué)態(tài)度，使其具有較強(qiáng)動手實(shí)踐能力、初步的科研開發(fā)能力和科技研究能力；培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)的能力，提高分析問題、解決問題和動手能力，為學(xué)生畢業(yè)后從事材料生產(chǎn)與檢測奠定基礎(chǔ)。2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2.1引言制備樣品描述，一般包含:樣品名稱、定義、性質(zhì)特點(diǎn)、用途、制備方法綜述。白光LED［i-3］是固體照明的重要光源，它的發(fā)展不僅有利于社會和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，而且還可以推動LED產(chǎn)業(yè)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提高我國照明產(chǎn)業(yè)的競爭力。由于激發(fā)源是短波紫外、長波紫外或藍(lán)光發(fā)射的半導(dǎo)體，輸出功率高，因此對發(fā)光材料性能會提出特定要求，而針對這些特定要求開展白光LED專用發(fā)光材料一一熒光粉的研究，無疑是一個新的研究課題。LED用熒光粉可分為有機(jī)材料和無機(jī)材料。綜合材料的制備、物理、化學(xué)及發(fā)光特性等因素后，無機(jī)材料熒光粉成為人們研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。傳統(tǒng)的藍(lán)光激發(fā)Ce3+釔鋁石榴石熒光粉不耐高溫，發(fā)生紅移時發(fā)光功效也隨之降低。為了獲得低成本、高性能的LED，人們斷地研發(fā)新的基質(zhì)熒光粉，主要包括硫化物、氮化物及氮氧化物、鋁酸鹽、鉬酸鹽、硅酸鹽等。硫化物基質(zhì)熒光粉由于發(fā)光亮度低、化學(xué)穩(wěn)定性差、有一定毒性等因素，在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。以氮化物及氮氧化物為基質(zhì)的熒光粉合成工藝較復(fù)雜、合成條件較苛刻，不適合工業(yè)化生產(chǎn)?！盳nO由于具有和GaN相似的晶格結(jié)構(gòu)，其禁帶寬度也近于相等，對襯底沒有苛刻的要求，而且很容易成膜，是最好的替代物”ZnO室溫下的禁帶寬度為3.3eV,ZnO的激子結(jié)合能為60meV,比室溫離化能26meV大很多，具備了室溫下發(fā)射紫外光的必要條件"ZnO的生長溫度比GaN低近1倍，這在很在程度上避免了外延膜和襯底的互擴(kuò)散，從而提高了成膜質(zhì)量"此外，化學(xué)穩(wěn)定性好,材料來源豐富，價格低廉等這些優(yōu)點(diǎn)使ZnO可能成為制備光電子器件的優(yōu)良材料，具備了開發(fā)和應(yīng)用價值。摻鋁氧化鋅是在ZnO中摻雜少量的Al,形成一種高簡并的n型半導(dǎo)體，具有極高的光學(xué)禁帶寬度(〉3.3eV)和載流子濃度,且在可見光區(qū)具有高的透過率(>80%)及紅外反射率,微波較強(qiáng)的衰減性;同時具有較低的電阻率(4.6xlo—4〃#em)〃它的性能可以與IT0(SnZ03:h)相媲美,因此從0目前越來越受到廣泛的重視〃Ai的摻雜基本上不引起主相zno結(jié)構(gòu)的變化〃氧化鋅(zno)是一種典型的六方纖維鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)1-3,14］如圖1一1所示〃優(yōu)質(zhì)的zAO粉末的每個晶粒都是生長良好的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，按照一般結(jié)晶學(xué)模型，氧化鋅晶體是由氧的六角密堆積（HCP）和鋅的六角密堆積（HCP）反向嵌套而成的〃晶格常數(shù)a=0.325nm,c=0.512nm,配位數(shù)為4:4,每個鋅原子都位于四個相鄰的氧原子所形成的四面體間隙中，但只占據(jù)其中半數(shù)的四面體間隙，氧原子的排列情況與鋅原子相同〃單位晶格中含有兩個分子，體積v二o.047615nm3〃因而這種結(jié)構(gòu)比較開放，間隙原子的形成焙比較低，半徑較小的組成原子容易變成間隙原子〃但隨著制備條件的變化其多晶結(jié)構(gòu)的主取向也不同,晶格常數(shù)也稍有變動，并且不同的鍛燒溫度對衍射峰的強(qiáng)度及晶粒的大小有較大影響［-5,-6］。本實(shí)驗(yàn)采用燃燒法制備Zno:Al熒光粉，考察A13+勺摻入量對Zno為基質(zhì)的熒光粉發(fā)光性能的影響。并采用日立F-4600熒光光譜儀、Y2000X射線粉末衍射儀和日立SU8010掃描電鏡對樣品的發(fā)光性能、結(jié)構(gòu)物相、樣品的表面形貌和顆粒尺寸進(jìn)行測試。2.2實(shí)驗(yàn)原理2.2.1實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及原料實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備序號儀器名稱規(guī)格要求1箱式電阻爐SX2-10-122臺式干燥箱202-00AB3磁力加熱攪拌器78-14電子天平BS224S5萬用電爐DL-1實(shí)驗(yàn)原料序號原料名稱規(guī)格要求1Alo23分析純2NaHco3分析純3KHCO3分析純4LiCO23分析純5檸檬酸分析純6濃硝酸、去離子水分析純2.2.2制備方法原理燃燒合成法是指材料通過前驅(qū)物的燃燒而獲得的一種方法。用此法合成發(fā)光材料，是將相應(yīng)的金屬硝酸鹽（氧化劑）和尿素或碳酰肼的混合物放入一定溫度環(huán)境中使之發(fā)生燃燒反應(yīng)，制備氧化物或其它發(fā)光材料。該方法具有安全、省時、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn):，是一個很有應(yīng)用前景的新方法。燃燒法優(yōu)點(diǎn)［40,41］是:（1） 燃燒反應(yīng)時間短，溫度低，節(jié)能效果明顯；（2） 制得的熒光粉純度高、粒度小且均勻、比表面積大，磨細(xì)后發(fā)光亮度下降不大。（3） 若有低價稀土離子存在，不需要還原氣氛的保護(hù)。存在問題是：（1） 目前用此法制得的產(chǎn)品發(fā)光性能還不是很理想；（2） 體系中的水在瞬間的反應(yīng)過程中來不及完全排除，而且大量的燃燒劑在加熱快速分解會導(dǎo)致體系環(huán)境變化；（3） 產(chǎn)物中有少量雜相。2.2.3測試表征原理223.1物相組成測試（XRD）X-射線衍射分析是當(dāng)今研究晶體結(jié)構(gòu)、物相分析、晶粒集合和取向等問題的最有效的方法之一。X-射線衍射線的位置取決于晶胞的形狀和大小，也即取決于各晶面的面間距，而衍射的相對強(qiáng)度則取決于晶胞內(nèi)原子的種類、數(shù)目及排列方式。每種晶態(tài)物質(zhì)都有其特有的結(jié)構(gòu)，不是前者有異，就是后者有別，因而也就有其獨(dú)特的衍射花樣。當(dāng)試樣中包含兩種或兩種以上的結(jié)晶物質(zhì)時，它們的衍射花樣將同時出現(xiàn)，而不會相互干涉。于是當(dāng)我們在待分析試樣的衍射花樣中，發(fā)現(xiàn)了和某種結(jié)晶物質(zhì)相同的衍射花樣時，就可斷定試樣中包含著這種這種結(jié)晶物質(zhì)。再則混合物中某相的衍射線強(qiáng)度取決于它在試樣中的相對含量，因此,若測定了各種結(jié)晶物質(zhì)的衍射線的強(qiáng)度比，還可以推算出它們的相對含量來，以上就是X-射線物相定量分析的理論依據(jù)。X-射線衍射儀（XRD）主要用來分析合成的Zno：AH熒光粉的晶相組成。2.2.3.2掃描電子顯微鏡（SEM）掃描電子顯微鏡是用聚焦電子束在試樣表面逐點(diǎn)掃描成像。試樣為塊狀或粉末狀顆粒,成像信號可以是二次電子、背散射電子或吸收電子。其中二次電子為最重要的成像信號。由電子槍發(fā)射的能量為5-35KeV的電子，以其交叉斑作為電子源，經(jīng)二級聚光鏡及物鏡的縮小形成具有一定能量、一定束流強(qiáng)度和束斑直徑的微細(xì)電子束，在掃描線圈驅(qū)動下，于試樣表面按一定時間、空間順序作柵網(wǎng)式掃描。聚焦電子束與試樣相互作用，產(chǎn)生二次電子發(fā)射，二次電子發(fā)射量隨試樣表面形貌而變化。二次電子信號被探測器收集轉(zhuǎn)化成為電訊號，經(jīng)視頻放大后輸入到顯象管柵極，調(diào)制與入射電子束同步掃描的顯像管的亮度，得到反映試樣表面形貌的二次電子像。掃描電鏡就是這樣采用逐點(diǎn)成像的方法把樣品表面的特征，按順序、成比例的轉(zhuǎn)換為視頻傳號完成一幅圖像，從而使我們在熒光屏上觀察到樣品表面的各種特征圖像。掃描電鏡主要可以用來分析合成的Zno：Al熒光粉的微區(qū)形貌、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成。223.3熒光光譜測試通過掃描激發(fā)單色器以使不同波長的入射發(fā)樣品，并讓所產(chǎn)生的熒光通過固定波長的發(fā)射單色器而照射到檢測器上，由檢測器檢測相應(yīng)的熒光強(qiáng)度，由X-Y記錄儀記錄熒光強(qiáng)度對激發(fā)波長的關(guān)系曲線，即為激發(fā)光譜；通過保持激發(fā)光的波長和強(qiáng)度不變，讓樣品產(chǎn)生的熒光通過發(fā)射單色器后照射于檢測器上，掃描發(fā)射單色器并檢測各種波長所對應(yīng)的熒光強(qiáng)度，由X-Y記錄儀記錄熒光強(qiáng)度對發(fā)射波長的關(guān)系曲線，即為發(fā)射光譜.(1)激發(fā)光譜激發(fā)光譜反映了合成Zno：A+晶體所吸收的激發(fā)光波長中，哪些波長的光對材料的發(fā)光更有效?這對分析發(fā)光的激發(fā)過程很有意義，也為確定哪些波段范圍內(nèi)的激發(fā)光對材料的發(fā)光提供了更有效的直接依據(jù)。(2)發(fā)射光譜發(fā)光材料的發(fā)光能量按波長的分布稱作發(fā)射光譜。發(fā)射光譜的組成主要決定于發(fā)光中心的結(jié)構(gòu)。光譜由多個發(fā)光帶組成時，不同的發(fā)光帶來源于不同的發(fā)光中心溫度、激發(fā)光波長及強(qiáng)度都會影響發(fā)射光譜的變化。2.3實(shí)驗(yàn)過程用流程圖表達(dá)，如下圖：圖1Zno：Al熒光粉的制備流程圖第一步：按計算好的試劑用量稱取Al2O3于燒杯中，用移液管量取2ml濃硝酸加入燒杯1中，在電爐上加熱直至將其蒸干，在底部得到A1(NO3)3晶體。按計算好的試劑用量稱取Zn（No3）2：6H2o于燒杯中，用移液管量取10ml甘氨酸加入燒杯1中，在電爐上加熱直至將其蒸干，在底部得到Zno晶體。以上操作，均在通風(fēng)處中進(jìn)行。第二步：將稱量好的NaHco3、檸檬酸和水放入燒杯2中，加入適量去離子水，放入攪拌子，在恒溫磁力攪拌器上攪拌，使其充分溶解；第三步：將燒杯2中的溶液加入燒杯1中，在電磁攪拌下于75°C±5°C緩慢蒸發(fā)脫水0.5h，獲得淺黃綠色溶膠狀物質(zhì)，迅速將其移入已預(yù)熱到相應(yīng)溫度的馬弗爐中燃燒反應(yīng)；第四步：樣品自然冷卻到室溫后，裝入樣品袋，貼好標(biāo)簽，在紫外燈下觀察發(fā)光效果以及進(jìn)行測試分析。3工作計劃序號時間段工作內(nèi)容階段性成果1第一周（2014年09月07日）?第三周（2014年10月01日）查找文獻(xiàn)資料，制定實(shí)驗(yàn)方案實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：器材、藥品文獻(xiàn)資料、實(shí)驗(yàn)方案2第四周（年月日）?第十周（年月曰）實(shí)驗(yàn)操作實(shí)驗(yàn)記錄、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)3第十周（年月日）?第十三周（年月曰）數(shù)據(jù)分析總結(jié)，撰寫實(shí)驗(yàn)報告實(shí)驗(yàn)報告4主要參考資料王曼琳.Ca,SrMoO4：Eu3+紅色熒光粉的燃燒合成及發(fā)光特性[D]?成都：成都理工大