稀土掺杂铝酸盐/硼酸盐及硒化钼纳米材料的发光性质研究

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纳米发光材料是发光二极管(LED)、等离子平板显示(PDP)、太阳能电池、柔性电子器件等光电子学领域中不可或缺的材料。比如稀土发光纳米材料YAG:Ce和YBO3:Eu3+以及类石墨烯的二维的过渡金属硫化物(TMDs)材料中的MoSe2。其中YAG:Ce具有立方相结构,YBO3:Eu3+拥有六角的球霰石型结构,而MoSe2则是层状的六角晶体结构。由于这些材料具有好的热稳定性、光学性能和光电子特性,因而在工业技术上有重要的潜在应用价值,极大地推进了照明和显示器件以及柔性光电子器件工业的发展。微纳米尺度的发光材料呈现出与块体材料不同的新颖性质。发光性质可以通过改变合成条件来调控。在本论文中,我们通过水热法制备了稀土纳米发光材料YAG:Ce和YBO3:Eu3+,用化学气相沉积(CVD)法合成了二维(2D)的层状MoSe2纳米片。研究了水热反应前驱体的pH值、后续处理和成分改变以及沉积衬底的不同对纳米发光材料的发光性质的影响。主要研究内容和取得的结果如下:第一章:介绍了纳米稀土荧光粉材料YAG:Ce和YBO3:Eu3+以及二维TMDs纳米层状材料MoSe2的应用背景和光学性能。简述了YAG:Ce和YBO3:Eu3+以及二维MoSe2的目前研究状况以及本文的工作意义和目的。第二章:介绍了YAG:Ce和YBO3:Eu3+以及二维MoSe2的制备方法、制备所需要的原料和表征性质所需要的方法和仪器。第三章:用超临界水热法合成YAG:Ce(5%)荧光粉,反应温度为360℃。反应时间分别为6、10、14、18、22和26 h。接着将水热反应22 h制备的YAG:Ce(5%)采用放电等离子烧结(SPS)、真空和空气中退火处理,研究后续处理对YAG:Ce(5%)发光性质的影响,并与固相反应法制得的YAG:Ce(5%)的发光性质进行比较,结果表明:1)水热法制备单相样品的温度远低于固相法的温度(1350 ℃); 2)SPS处理和真空退火极大地提高了YAG:Ce(5%)的发光强度,原因在于Ce离子价态从Ce4+转变到Ce3+,此外后续处理会使结晶性更好。然而,在空气中处理的样品会使Ce离子价态从Ce3+转变到Ce4+,而Ce4+具有空4f和5d轨道,没有光学活性,导致发光强度减弱;3)对比于固相反应制得的样品,水热制备的样品发射峰从540 nm红移到557nm,显色性提高,更适合于白光LED的应用。红移的原因可归因于纳米颗粒的表面和界面效应而导致5d能级的变化。第四章:在前驱体溶液中加入多壁碳纳米管,用氨水调节前驱体溶液的pH值分别为5、6、7、8、9和10,用水热法合成一系列YBO3:Eu3+样品。研究pH值对样品的形貌和性质的影响。结果表明:1)用水热法,可以在较低的温度(260℃)直接制备出单相的YBO3:Eu3+样品;2)随着pH值的变化,所制备的样品呈现出丰富的形貌特征,包括鼓状、片状、六面体状、六角和花瓣状颗粒,并对形貌变化给出了可能的解释;3)所有样品都呈现了Eu3+的5Do-7FJ(J=1、2和3)特征发射峰,而pH值为9和10的样品的红橙比更高,其比值分别为1.07和1.22,因此具有更好的色纯度,主要原因在于晶界和颗粒表面处的Eu3+局域对称性降低所致。第五章:用CVD方法在300 nm的SiO2/Si和A1203(蓝宝石)衬底上生长2D的单层MoSe2纳米片,研究不同衬底对样品的光学性质的影响。我们分别对这两种基片上的样品做了变温和变功率的光致发光(PL)测试,发现蓝宝石上样品的PL峰相对于SiO2/Si的发生了蓝移,同时强度显著增强。也就是说SiO2/Si上的样品发射峰相对红移,强度弱很多。我们认为SiO2/Si衬底与MoSe2的晶格失配严重,一方面导致MoSe2薄膜中存在更多的缺陷,是红移和光强减弱的可能原因,另一方面会导致MoSe2薄膜的结晶性更差,也是造成发光强度减弱的原因之一。另外还发现样品边缘的发光要远远强于内部,主要是强的边缘态活性导致的发光增强。第六章:对本文所有工作进行总结和展望。
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