摘要
氧化铝作为世界上生产量最大、应用面最广的材料之一，以氧化铝为基体制备的氧化铝陶瓷具有耐磨、耐腐蚀、抗氧化、机械性能好等特点，常被应用于结构材料;同时以氧化铝为基质所制备材料还可应用于发光或激光等领域。研究人员通过掺杂稀土离子或过渡金属离子来制备氧化铝基发光粉体，但其粉体粒径很大，影响发光性能。近年来，完全分散的纳米发光粉体的制备也受到研究人员的青睐，但氧化铝基纳米发光粉体的研究鲜有报道。在制备完全分散的α-Al2O3纳米颗粒的过程中，时常选择机械球磨或在氧化铝中引入Fe源抑制氧化铝晶粒长大，不可避免会引入Fe3+;Fe作为工业中最常见的金属元素之一，在常规氧化铝粉体的制备过程中也很容易混入Fe3+;但Fe3+对氧化铝基粉体发光性能的影响尚不明确。本课题以氧化铝为基质材料，研究了完全分散的Fe3+掺杂α-Al2O3纳米颗粒的结构及发光性能，通过化学沉淀法制备了发光性能较好的Eu3+/Cr3+掺杂氧化铝基发光粉体，分析了Fe3+对Eu3+/Cr3+发光粉体结构及发光性能的影响。具体研究内容如下: (1)研究了不同煅烧温度和尺寸α-Al2O3∶Fe3+纳米颗粒的结构和发光性能。α-Al2O3∶Fe3+纳米颗粒分散性好、尺寸分布窄，在超纯水中可形成稳定胶体。在纳米尺度下随着平均颗粒尺寸增大，禁带宽度减小，引入Fe3+后，禁带宽度显著降低。在305nm激发下，α-Al2O3∶Fe3+纳米颗粒可观察到位于495nm附近的蓝光发光带，源于Fe3+3d5→3d34s2跃迁。 (2)通过化学沉淀法分别合成不同掺杂含量的γ-Al2O3∶Eu3+、α-Al2O3∶Eu3+和α-Al2O3∶Cr3+发光粉体，对其结构及发光性能进行分析。γ-Al2O3∶Eu3+粉末在近紫外区域具有强度较高的宽吸收带，可以很好的吸收近紫外光，在396nm激发下，Eu3+的最强发射峰位于618nm，源于Eu3+5D0→7F2电偶极跃迁，此时多数Eu3+占据γ-Al2O3晶格内非中心对称格位，最佳Eu3+掺杂浓度为4mol％，当Eu3+浓度继续增大会出现浓度淬灭现象，导致粉末发光强度降低。α-Al2O3∶Eu3+粉末在398nm激发下，除观察到Eu3+特征峰外，在695nm还出现一针状窄带强度较高的发射峰，此时基质材料为六方晶系具有八面体格位的α-Al2O3相，Cr3+离子杂质会占据八面体格位而产生位于695nm的R线发射。α-Al2O3∶Cr3+粉末分散性较好，吸收光谱在可见光区由一系列驼峰状宽带吸收峰组成。在411nm激发下，α-Al2O3∶Cr3+粉末主发射峰位于695nm处，属于Cr3+R线发射。Cr3+最佳掺杂浓度为0.5mol％，经过计算此时晶格内Cr3+之间距离大约为20(A），α-Al2O3为强晶体场环境。Cr3+掺杂浓度继续增大后，晶格内Cr3+浓度增大、离子间距离减小、无辐射跃迁增多，出现浓度淬灭现象，导致发光强度降低。 (3)分别选择Eu3+和Cr3+发光性能较好的掺杂含量，在此基础上掺杂不同浓度Fe3+制备Fe3+-Eu3+共掺杂氧化铝基粉体和Fe3+-Cr3+共掺杂α-Al2O3粉末，研究Fe3+对样品结构、禁带宽度、近紫外区域吸收率、发射光谱的影响。γ-Al2O3∶Eu3+粉末引入Fe3+后，会显著降低其发光强度，0.5mol％的Fe3+掺杂能使发光强度降低92％，源于Fe3+的电荷转移跃迁在3d轨道，Eu3+的电荷转移跃迁发生在被外层电子所屏蔽的4f轨道，在近紫外光区域，Eu3+和Fe3+对激发光源的吸收呈现竞争关系，且Eu3+的摩尔吸收系数远小于Fe3+，使得Eu3+很难吸收激发光源能量发生f-f跃迁，导致发光强度骤降。引入Fe3+后，α-Al2O3∶Cr3+粉末多个吸收带强度不断增大，源于Fe3+电荷迁移。
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