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SrF_2和稀土掺杂SrF_2薄膜的电沉积制备及其发光性能研究

2024-06-07 来源:乌哈旅游
第6卷第3期 2011年3月 中国科技论文在线SCIENCEPAPER ONLINE Vo1.6No.3 Mar.2Ol 1 SrF2和稀土掺杂SrF2薄膜的电沉积制备 及其发光性能研究 王 辉,陈科立,刘 润 (浙江大学化学系,杭州310027) 摘要:利用电化学沉积法制备TSrF2和稀土元索掺杂SW2薄膜,并利用XRD、FE-SEM、PL等对其物相、形貌和光 学性能进行了表征。研究了稀土离子的不同掺杂比例对荧光发射强度的影响。通过阳极氧化抗坏血酸钠的方法,降低 了工作电极表面的pH值,从而使Sr-EDTA络合物释放出sr2 和F在电极表面成膜 XRD表明,制得的SFF2为立方相且 (111)为优势取向。FE—SEM表明,电沉积法制得的srF2薄膜均匀致密,由直径为200--400 nin的小球组成。SrF2为良好 的荧光基质,优化掺杂Eu 和Tb 的薄膜表现出强烈的荧光发射。 关键词:电沉积;SrF2;稀土功能材料;形貌;光致荧光 中图分类号:064 文献标志码:A ,文章编号:l673—7180(2011)03—0237—5 ElectrOdep0siti0n of SrF2 and.rare earth doped SrFz films and its optical properties Wang Hui,Chen Keli,Liu Run (Department ofChemistry,Zh ̄iang University,Hangzhou 3 1 0027,China) Abstract:Strontium lfuoride(SrF2)and the rare earth(RE)doped SrF2 films have been prepared by he eltectrichemical deposition method.SrF2 films have been deposited on working electrode through anode electrochemical generated acid in solutions near room temperature.In the same way,RE・doped CaF2 films have been grown on working electrode.The film morphology studied by scanning electron microscopy(SEM)reveals that they are dense iflms which rae composed of little spheres.The fimsl shows a little<111>prefered orientation by X・ray difraction(XRD).The optical properties ofthe electrodeposited SrF2,SrF2:Eu and SrFsTb iflms were characterized by photoluminescence(PL),and all ifmsl exhibit intense emission peaks.The relationship between luminescence intensity and mole ratio of rare earth ions were also studied in this work. Key words:electrOdepOsition; SrF2; rare earth functional materials; morphology;photoluminescence 氟化物具有低声子能量、高离子性,作为窗口、镜 片、闪烁晶体广泛应用于光学仪器【”。氟化锶是~种典 型的碱土氟化物,属于立方晶系,有较强的光学透过眭, 是制造光学玻璃f。 和高级电子元件的优良材料。同时, 收稿日期:2010-12—13 氟化锶也是常用的荧光基质。当氟化锶掺杂适量的稀土 元素时,表现出良好的发光性能,具有光放大、上转换 发光 等性质。稀土元素荧光发射峰尖锐,量子产率高, 寿命长,光稳定性高 】,有望替代有机染料和半导体量 基金项目:国家自然科学基金资助项(20973153);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20070335156) 作者简介:王辉(1986 ),女,硕士研究生,研究方向:稀土发光材料的制备 通信联系人:刘润,副教授,主要研究方向:材料电化学,runliu@zju.edu.cn 238 中国科技论文在线SCfENCEPAPER 0NLiNE 第6卷第3期 2011年3月 子点作为新型的生物体荧光标记材料。 到目前为止,已经发展_r一些氟化物和稀土掺杂 氟化物的制备方法,如水热法、溶剂热法loJ、溶胶一 璃为工作电极,饱和甘汞电极为参比电极,金属铂电极 为对电极组成三电极体系。沉积电压相对于饱和甘汞电 极为】.1 V,沉积温度为30℃,沉积时间为1 h。导电 玻璃上沉积出一层均匀致密的薄膜,收集试样,进行表 征分析。 凝胶法【,J、微波法等。然而,这些方法要求高温,高真 空,复杂的设备和繁琐的实验程序,阻碍了它们的普遍 应用。采用电化学沉积法制备具有一定取向的氟化锶和 稀土掺杂氟化锶薄膜,设备简单、操作方便、低温常压 下即可进行。 SrF2:Tb,SrF2:Eu试样的制备方法与上述实验步骤 类似,Tb 和Eu 按一定的浓度比掺杂。本实验中的 Tb(SO3)3试剂是由Tb407溶于浓硝酸中制得。 1实验部分 1.1试剂和仪器 2结果与讨论 2.1 电沉积SrF2薄膜的机理分析 用电解水的方法产生 用于金属氟化膜的电沉积 制备已经得到证实和应用 J。在电沉积制备SrF2及其掺 杂物的实验过程中,本文通过电解氧化溶液中的抗坏血 酸钠产生 ,来达到降低工作电极表面pH值的目的。 从图1可以看出电化学氧化抗坏血酸钠涉及传递两电子 及一个质子,在电极表面产生的 降低了电极表面的 pH值,Sr2 ̄-EDTA络合物的稳定『生降低从而释放出S , 六水氯化锶、氟化铵、乙二胺四乙酸二钠、抗坏血 酸钠、氧化铽、硝酸铕等均为分析纯。电化学工作站的 型号为CHI 660B(上海辰华仪器公司)。产物物相分析 使用Thermo X’TRA型x射线衍射仪(XRD),辐射源为 CuKa(2=0.15406rim),操作电压40kV,电流40mA。 采用阶梯扫描方式收集衍射峰型,阶宽0.020,扫描范 围为20。 ̄80。。场发射扫描电镜(FE—SEM)型号为 FEISIRION一100。荧光光谱仪(PL)型号为Hitaclli.F2500, 与游离的F’在电极表面形成SrF2薄膜。虽然电解H2O 也可以产生H_,但是抗坏血酸钠被电解的初始电位要 比电解H20低。图2为加入抗坏血酸钠时水溶液的循 环伏安益线。从图2上可以看出,电解氧化抗坏血酸的 初始电位只有0.4 V VS SCE左右,而电解水的初始电位 理论上是0.99 V VS SCE。因此,可能的生成机理可用 下歹U反应式表示: Xe灯为光源,功率为150W。 1.2 IT.0基底的预处理 ITO导电玻璃的预处理:首先用丙酮和去离子水 反复冲洗,然后用去离子水放在超声波清洗器里清洗 15 min,将导电玻璃置于30%的硝酸溶液中活化,最后 用去离子水清洗。 1-3实验步骤 Sr2_+EDTA_÷Sr2..EDTA complex。 C6H706一-_+C6H606+I-i++2e。 H20_÷2H++1/202+2e。 (1) (2) (3) 准确称取2mmolSrC12溶于40mL去离子水中,加 入2 mmol EDTA,并搅拌20 min得到澄清溶液。准确 称取10 mmol NHy溶于20 mL去离子水中,将哪 溶液逐滴加入Sr-EDTA溶液中,搅拌5 min。向溶液中 加入10 mmol抗坏血酸钠,并加去离子水使溶液的总体 积为100 mL,用HNO3溶液调节混合液的pH值为6.50。 Sr2+-EDTA+xH+—÷H EDTA 一 +Sr2 。+2F—SrF2。 (4) (5) 将配好的溶液作为电解液进行电沉积。ITO导电玻 HO 0 I-IO H H 0 ————— —————' H0 L—ascorbatc dehydro—L—a*corbic acid 23.diketogluconic acid ,图l 电化学氧化抗坏血酸纳的反应过程 Fig.1 Overall reaction scheme for the oxidation of L—ascorbate 第6卷第3期 2011年3月 SrF2和稀土掺杂SrFz薄膜的电沉积制备及其发光性能研究 239 2.2 SrF2薄膜的结构与形貌 为了测定产品的物相和晶体结构,用x射线粉末衍 射仪对产品进行了表征。如图3,沉积电压为1.1 V VS SCE,沉积温度为30℃时,得到SrF2和掺杂15%Tb> 的SrF2试样的XRD图谱。经分析可知,薄膜的主要衍 射峰可以被指认为具有立方晶系的SrF2(ICDD 06—0262),空间群为Fm3m[225],没有其他相的SrF2掺 杂。34.9。处的出峰为基底1TO导电玻璃上的In203衍射 II ̄(ICDD 06—0416)。图中的衍射峰高而尖说明SrF2的结 晶度非常好,衍射峰出现宽化现象,是因为样品颗粒的 图2抗坏血酸的循环伏安曲线 Fig.2 Cycle voltammogram curve ofL—ascorbate 尺寸达到了纳米级。稀土离子掺杂的SrF2薄膜的衍射峰 相对于纯SrF2有小角度的偏移,表明稀土离子巳掺杂进 晶格中。 (a)(b) 图3 电沉积SrF2(a)和SrF2:15%Tb(b)薄膜的X射线衍射图,沉积电压1.1Vvs SCE,30℃ Fig.3 XRDpattemsofSrF2 andSrF2:Tbthinfilmselectrodepositedat1.1VVS SCE and 30℃ 在沉积电压为1.1 VVS SCE,沉积温度为30℃条件 下得到的SrF2薄膜的SEM照片,如图4所示。由图4(a) 可知,所得的薄膜均匀致密,由纳米球紧密排列而成。 图409)是样品在较高分辨率下的SEM图,纳米球是由 许多纳米级的微小颗粒团聚而成。 (b) 图4电沉积SrF2薄膜不同分辨率的SEM照片,沉积电压为 1.1VvsSCE.30℃ Fig.4 SEM images in diferent resolution ofSrF2 electrodeposited at 1.1Vvs SCE and 30℃ (a) 2.3 SrF2、SrF2:Tb和SrF2:Eu薄膜的光学性能 稀土元素具有良好的光学眭能,在特定波长的光源 240 中国科技论文在线SCIENCEPAPER ONLINE 第6卷第3期 2011年3月 激发下,能呈现一组特征发射峰。SrF2薄膜中掺杂有稀 土离子后表现出与纯SrF2不同的荧光性能,因此,笔者 对电沉积制得的稀土离子掺杂的SrF2薄膜的发光性能 进行了研究。 图5是在相对于饱和甘汞电极1.1 V、温度为30℃ 的条件下,电沉积制得的SrF2薄膜室温荧光发射光谱, 激发波长为257 nm,发射峰以322 nm为中心。 图6(a)是沉积电压为1.1 V VS SCE,沉积温度为 30℃时,掺杂物质的量比为20%三价铕离子的SrF2薄 膜的荧光发射光谱图。当激发波长为397 nm时,Euj十 发射峰位置为582 nin、595 nm、618 nm,分别对应于 D0一 F0, Do一 Fl, D F2跃迁。通常情况下,当 Eu计处在无反演对称性的晶格环境中时,电偶极子跃迁 Do一 F2最为显著;处在具有反演对称性的晶格中时, 磁偶极子跃迁 Do Fl为主。所以,通过 D Fl和 Do一 F2跃迁的强度比例可以推测Euj十所处的晶格环 境。由于氟离子在主晶格中的影响,使得’D0一 Fl跃迁 比 D F’要强。图6(b)反映了荧光发射峰的相对强度 五/hm 与Eu 掺杂物质的量比的关系,发射峰的强度随三价铕 图5 电沉积SrF2薄膜的荧光发射光谱,沉积电压为1.1 Vvs 离子比例的增加先增大后减小,最佳掺杂物质的量比为 SCE.30℃ 20%。当掺杂比太大时,由于存在浓度淬灭现象导致荧 Fig.5 PL emission spectra ofSrF2 thin iflms electrodeposited at 光发射峰强度减弱。 1.1 VVSSCEand30℃ 疆 莨 (a)(b) 图6(a)SrF2:Eu(摩尔分数为20%)薄膜室温荧光发射光谱,沉积电压为1.1 VVS SCE,30℃;Co)荧光发射峰的相对强度与 Eu3 掺杂物质的量比的关系 Fig.6(a)PLemission spectraofSrFa:Eu(20tool%)thinfilms eleclrodepositedat 1.1Vvs SCEand 30℃;(b)Relationshipbetween luminescence nitensity and amount ofsubstance ratio ofEu ions 图7(a)是沉积电压相对于饱和甘汞电极为1.1 著,发出强的绿光。图7(b)反映了室温荧光发射峰的 V,沉积温度为30℃时,掺杂物质的量比为l5%的 相对强度与Tb 掺杂物质的量比的关系,发射峰的强 铽离子的SrF2薄膜的荧光发射光谱图。当激发波长 度随三价铽离子比例的增加先增大后减小,最佳掺杂 为378 nm时,在543 nm、588 nm、625 nm处得到 物质的量比为15%。当掺杂比太大时,由于存在浓度 Tb”的发射峰,分别对应于 D4一 F5,’D4一 F4, 淬灭导致荧光发射峰强度减弱。 ’D4一 F3跃迁。其中,543 rim处的 D4一 F5跃迂最显 第6卷第3期 2011年3月 SrFz和稀土掺杂SrFz薄膜的电沉积制备及其发光性能研究 241 骥 慧 靛 ∞ )./nm Tb}Xf (a) Co) 图7(a)SrF2:Tb(摩尔分数为15%)薄膜室温荧光发射光谱,沉积电压为1.1VVS SCE,30℃;7(b)荧光发射峰的相对强度与 Tb 掺杂物质的量比的关系 Fig.7(a)PLemission spectraofSrF2:Tb(15mol%)thinfilmselectrodepositedat1.1VvsSCEand 30℃.(b)Relationshipbetween luminescence intensity nad amount ofsubstance ratio ofTb ions 3结论 nanocrysatls[J].Chinese Journal ofInorganic Chemistry,2009,25(5): 855—859. 通过阳极氧化抗坏血酸钠的方法能降低沉积电压, [4]JinYe,QinWeiping,Zhang Jisen.Preparation and optical properties 得到具有球状形貌、均匀致密的SrF2及稀土掺杂SrF2 of SrF2.Eu3 nanospheres[J].Journal of Fluorine Chemislry,2008, 薄膜。电沉积法制得的SrF2为立方相且(11 1)为优势取 129(6):515—518. [5] Ivanovskikh K、‘Pustovarov V A,Shul’giI1 B、‘et a1.Low— 向。室温下的荧光发射光谱证明,SrFz为良好的荧光基 temperature time—resolved VUV lmuinescence spectroscopy of 质。基于氟化物在光学上的应用潜力,掺杂稀土元素的 SrF2:E crystals .Physics of the Solid State,2005,47(8): SrF2薄膜的光学性能还需进一步研究。 1446.1449. [6]Hong B C,Kawano K.Luminescence studies of the眦earth ions—doped CaF2 and M 2 films for wavelength conversion[J】. [参考文献](References) Journal ofAlloys nad Compounds.2006.408(9):838-841. [1] Quan Zewei,Yang Dongmei,Yang Piaoping,et a1.Uniform colloidal [7】 Quan Zewei,Yang Dongmei,Li Chunxi ̄et a1.SrF2 hierarchical alkaline earth metal fluoride nanocrystals:nonhydrolytic synthesis lfowerlike structures:Solvothermal synthesis。formation mechanism, and luminescence properties[J].Inorganic Chemistry,2008,47(2o): and optical properties川.Materilas Research Bulletni,2009,44(5): 9509—9517. 1009—1016. [2】Luo Qun,Qiao Xusheng,Fan Xinaping.Luminescence properties of [8] Shi Xiaofang,Liu Run,Xu Zhude.E1ectrodeposition of CeF3 Eu2+-doped glass ceramics containing SrF2 nanocrysatls[J].J Am and CeF3:Tb films by electrochemical generated acid[J]. Ceram Soc,2010,93(9):2684-2688. Electrochemical and Solid—State Letters,2010,1 3(6):E7-E9. [3]Yang Kuisheng,Zhai Haiqing,Cui Guang,et a1.Synthesis and up-conversion lmuinescence properties of E cxxloped SrF2 

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