分散、超细Fe3+-Eu3+/Ce3+/Nd3+共掺杂α-Al2O3纳米颗粒的制备及其发光性能研究

The preparation of full disperse transition metal-rare earth element co-doped α-Al2O3 fluorescent nanoparticles with narrow size distribution is significant in the field of luminescence materials. In this project, full disperse α-Al2O3-based fluorescent nanoparticles with excellent luminescent properties and narrow size distribution (a minimum size distribution under 10 nm) will be prepared by adding auxiliary phase combined with chemical coprecipitation method, and then fractionated coagulation separation. The evolution and regularity of the existential forms and distribution characteristics of elements in the process of precursor preparation and calcination will be revealed. Fe3+ content controllable doped mechanism in α-Al2O3 will be explored. The influence mechanism of coagulating agent and particle size distribution characteristics during fractionated coagulation separation on the process of coagulation will be revealed. The preparation technology of the particles with narrow size distribution will be ascertained. The relationship and mechanism of composition/size-structure-luminescent property of the Fe3+-Eu3+/Ce3+/Nd3+ co-doped α-Al2O3 fluorescent nanoparticles will be revealed. The luminescent mechanism will be analyzed. It will lay the foundation for the application of disperse ultra-fine α-Al2O3-based fluorescent nanoparticles.

完全分散、窄尺寸分布的过渡金属-稀土元素共掺杂α-Al2O3纳米荧光颗粒的制备在发光材料领域具有重要意义。本项目拟采用添加辅助相结合化学共沉淀，进而分级聚沉分离来制备发光性能优异、完全分散、窄尺寸分布（最小尺寸分布在10 nm以下）的Fe3+-Eu3+/Ce3+/Nd3+共掺杂α-Al2O3纳米荧光颗粒；阐明前驱体制备及煅烧过程中元素存在形式及分布特征的演变过程及规律，揭示α-Al2O3中Fe3+含量可控掺杂机制；揭示分级聚沉分离时聚沉剂、颗粒尺寸分布特征对聚沉过程的影响机制，明确窄尺寸分布颗粒制备工艺；探讨Fe3+-Eu3+/Ce3+/Nd3+共掺杂α-Al2O3纳米荧光颗粒组分/尺寸-结构-发光性能三者间的依赖关系及作用机制，揭示其发光机理；为分散、超细α-Al2O3基纳米荧光颗粒的应用奠定基础。

完全分散、窄尺寸分布α-Al2O3基纳米荧光颗粒的制备在发光材料领域具有重要意义。完全分散的α-Al2O3纳米颗粒较难制备，但通过引入Fe3+可制备出完全分散、窄尺寸分布的Fe3+掺杂α-Al2O3纳米颗粒，而稀土元素是最常见和高效的发光材料激活剂。因此，本项目拟采用化学沉淀法得到前驱体，经过煅烧和酸洗腐蚀，制备完全分散、窄尺寸分布Fe3+-Eu3+/Ce3+/Nd3+共掺杂α-Al2O3纳米荧光颗粒。经过项目前期研究得出，Eu3+/Ce3+在α-Al2O3中具有较低的固溶度，且通过酸洗腐蚀较难分离出Fe3+-Ce3+/Nd3+共掺杂α-Al2O3纳米颗粒，同时Fe3+对α-Al2O3基颗粒发光有不利影响，因此未得到完全分散、窄尺寸分布、发光性能优异的Fe3+-Eu3+/Ce3+/Nd3+共掺杂α-Al2O3纳米荧光颗粒。基于以上问题，本项目后期做了如下三方面工作：.一、制备了不同尺寸、不同含量Fe3+掺杂α-Al2O3纳米颗粒。在850 °C煅烧得到了颗粒尺寸为12 nm、尺寸分布为5-55 nm的Fe3+掺杂α-Al2O3纳米颗粒。在305 nm激发波长下，样品出现了以495和565 nm为中心的蓝光发射峰。同时，平均颗粒尺寸为12 nm的Fe3+掺杂α-Al2O3纳米颗粒在超纯水中可形成稳定胶体，因此在超薄发光涂层领域具有一定的应用前景。.二、基于Fe3+对α-Al2O3基颗粒发光有不利影响，因此在不引入Fe3+的前提下，研究了Eu3+掺杂对γ-Al2O3颗粒、Eu3+/Cr3+掺杂对α-Al2O3颗粒结构和发光性能的影响。.三、Fe3+是在α-Al2O3纳米颗粒制备过程中极易引入的杂质，且经过前期研究得出Fe3+对α-Al2O3基颗粒的发光有不利影响，因此研究了Fe3+对 Eu3+掺杂γ-Al2O3颗粒、Eu3+/Cr3+掺杂α-Al2O3颗粒结构和发光性能的影响。对于Eu3+掺杂γ-Al2O3颗粒来说，0.025 mol%的Fe3+掺杂能使发光强度降低4%，而0.1 mol%的Fe3+掺杂能使发光强度降低65%。同样，Fe3+掺杂会导致Eu3+/Cr3+掺杂α-Al2O3颗粒的发光强度急剧下降。这部分工作对后续α-Al2O3基纳米荧光颗粒的制备有重要参考意义。