无机发光材料合成课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2024/10/19,1,无机发光材料,的合成,按反应环境分类,气相法,液相法,沉淀法,水热法,溶胶凝胶法,冷冻干燥法,喷雾法,气体冷凝法,氢电弧等离子体法,溅射法,真空沉积法,加热蒸发法,混合等离子体法,共沉淀法,化合物沉淀法,水解沉淀法,固相法,粉碎法,干式粉碎,湿式粉碎,化学气相反应法,气相分解法,气相合成法,气固反应法,物理气相法,热分解法,其它方法,固相反应法,3,1 溶胶凝胶法,将一种或几种盐均匀分散在一种溶剂中，使它们成为透明状的胶体，即成溶胶。,将溶胶在一定条件下（温度、酸碱度等）进行老化处理，得到透明状的冻状物即称凝胶。,溶胶,-,凝胶法可精确控制各组分的含量，使不同组分之间实现分子原子水平上的均匀混合，而且整个过程简单，工艺条件容易控制。,1、凝胶形成机理通常须经过三个必要的过程：,a).,单体聚合成初次粒子；,b).,粒子长大；,c).,粒子交联成链状且形成三维网状结构。,4,1 溶胶凝胶法,溶胶（,Sol,）是由孤立的细小粒子或大分子组成，分散在溶液中的胶体体系。,当液相为水时称为水溶胶（,Hydrosol,）,;,当为醇时称为醇溶胶（,alcosol,）。,凝胶（,Gel,）是一种由细小粒子聚集而成三维网状结构的具有固态特征的胶态体系，凝胶中渗有连续的分散相介质。,按分散相介质不同可分为水凝胶（,Hydrogel,）、醇凝胶（,alcogel,）和气凝胶（,aerogel,）。,沉淀物（,precipitate,）由孤立粒子聚集体组成而区别于凝胶。,图,1,溶胶、凝胶和沉淀物的区分,5,1 溶胶凝胶法,2,、凝胶的一般干燥过程,湿凝胶的一般干燥过程或以观察到三个现象：,A,）持续的收缩与硬化；,B,）产生应力；,C,）破裂。,湿凝胶在初期干燥过程中，因有足够的液相填充于凝胶孔中，凝胶体积的减少与蒸发了的液体的体积相等，无毛细力起作用。当进一步蒸发使凝胶体积减少量小于蒸发掉的液体体积时，此时液相在凝胶孔中形成弯月面，,图,2,湿凝胶干燥过程中的毛细管力,使凝胶承受一个毛细管压力，将颗粒挤压在一起。如图,2,所示。,6,1 溶胶凝胶法,溶胶凝胶法的应用,功能材料中制备粉体材料,La,2,O,3,La(NO,3,),3,溶液,HNO,3,Fe(NO,3,),3,.6H,2,O,Fe(NO,3,),3,溶液,La: Fe=1:1,柠檬酸,LaFeO,3,的超细粉末,10,100nm,La,3+,、,Fe,3+,的柠檬酸溶液,50,80,含,La,3+,、,Fe,3+,的凝胶,含,La,3+,、,Fe,3+,的溶胶,60,90,干凝胶,热处理,120,2024/10/19,光电子技术系光电工程专业,7,1,溶胶凝胶法,设备,8,1 溶胶凝胶法,溶胶凝胶法的优势,起始原料是分子级的能制备较均匀的材料,较高的纯度,组成成分较好控制，尤其适合制备多组分材料,可降低程序中的温度,具有流变特性，可用于不同用途产品的制备,可以控制孔隙度,容易制备各种形状,9,1 溶胶凝胶法,溶胶凝胶法的缺陷,原料成本较高,存在残留小孔洞,存在残留的碳,较长的反应时间,有机溶剂对人体有一定的危害性,10,2.1 水热法,水热法是在高压釜里的高温、高压反应环境中，采用水作为反应介质，使得通常难溶或不溶的物质溶解，反应还可进行重结晶。水热技术具有两个特点，一是其相对低的温度，二是在封闭容器中进行，避免了组分挥发。,1982,年开始用水热反应制备纳米粉末。,水热条件下粉体的制备有,：,水热结晶法,比如,Al(OH)3 Al203,H2O,水热合成法,比如,FeTiO3+K0H K2O.nTiO2,水热分解法,比如,ZrSiO4+NaOH ZrO2+Na2SiO3,水热脱水法,水热氧化法,典型反应式：,mM,十,nH2O MmOn+H2,其中,M,可为铬、铁,及合金等,水热还原法,比如,MexOy+yH,2,xMe+yH2O,其中,Me,可为铜、银等,水热沉淀法,例如,KF+MnCl2 KMnF2,11,2.2 溶剂热合成法,用有机溶剂（如：苯、醚）代替水作介质，采用类似水热合成的原理制备纳米微粉。非水溶剂代替水，不仅扩大了水热技术的应用范围，而且能够实现通常条件下无法实现的反应，包括制备具有亚稳态结构的材料。,12,2.2,溶剂热合成法,（,1,）溶剂热法的特点,反应条件非常,温和,，可以稳定压稳物相、制备新物质、发展新的制备路线等；,过程相对简单而且,易于控制,，并且在密闭体系中可以有效的防止有毒物质的挥发和制备对空气敏感的前驱体；,另外，,物相的形成、粒径的大小、形态也能够控制,而且,产物的,分散性较好,。在溶剂热条件下，溶剂的性质,(,密度、粘度、分散作用,),相互影响，变化很大，且其性质与通常条件下相差很大，相应的，反应物,(,通常是固体,),的溶解、分散过程以及化学反应活性大大的提高或增强,13,2.2,溶剂热合成法,(1),溶剂热结晶,这是一种以氢氧化物为前驱体的常规脱水过程,首先反应物固体溶解于溶剂中,然后生成物再从溶剂中结晶出来,.,这种方法可以制备很多单一的或复合氧化物,.,( 2),溶剂热还原,反应体系中发生氧化还原反应,比如纳米晶,InAs,的制备,以二甲苯为溶剂,150 ,48h , InCl3,和,AsCl3,被,Zn,同时还原,生成,InAs .,其它,- ,族半导体也可通过该方法而得到,.,(3),溶剂热液,-,固反应,典型的例子是苯体系中,GaN,的合成,. GaCl3,的苯溶液中,Li3N,粉体与,GaCl3,溶剂热,280 ,反应,6,16h,生成立方相,GaN ,同时有少量岩盐相,GaN,生成,.,其它物质如,InP,、,InAs,、,CoS2,也可以用这种方法成功的合成出来,(4),溶剂热元素反应,两种或多种元素在有机溶剂中直接发生反应,.,如在乙二胺溶剂中,Cd,粉和,S,粉,120,190 ,溶剂热反应,3,6h,得到,CdS,纳米棒,.,许多硫属元素化合物可以通过这种方法直接合成。,14,3 高温固相反应法,通过固体化合物或通过固相反应形成前驱体,经高温分解获得纳米粉体。,一般认为固相反应过程经历四个阶段,:,（,1,）,-,反应物扩散,（,2,）,-,化学反应,（,3,）,-,产物成核,（,4,）,-,晶体生长。,15,3,高温固相反应法,决定固相反应的两个重要因素是成核和扩散速度。如果产物和反应物之间存在结构相似性，则成核容易进行。,当成核速度大于生长速度时,有利于生成纳米微粒,;,如果生长速度大于成核速度,则形成块状晶体。,固相法可以采用将金属盐或金属氧化物按一定比例充分混合,研磨后进行煅烧,通过发生固相反应直接制备纳米级微粒,或再次研磨粉碎得到纳米级粉体 。,16,3 高温固相反应法,固相反应需要经过配料和煅烧两个过程：,=,配料过程,：,主要是使得,反应能够最大化进行,，反应物的残留最少为宜。,=,煅烧过程：,主要是使原料各组分之间发生化学反应，形成具有一定晶格结构的基质，并使激活剂进入基质，处于基质晶格的间隙或置换晶格原子。显然，,煅烧是形成发光中心的关键步骤,。煅烧条件（,温度、气氛、时间,等）直接影响发光性能的优劣。,煅烧温度主要依赖于,基质特性,，取决于组分的,熔点，扩散速度和结晶能力。,组分间的扩散速度、结晶能力越小则需要的温度越高。一般以基质组分中最高熔点的,2/3,为宜。但实际中要根据实验来确定最佳温度，发光材料的煅烧温度一般在,800-1400,之间。,17,3,高温固相反应法,固相反应法制得的发光粉，通常还要进行后处理，包括粉碎、选粉、洗粉、包覆、筛选等工艺。,固相反应法制得的发光粉主要优点：,微晶的晶体质量优良,，,表面缺陷少,，发光,亮度大,，,余辉时间长,，利于,工业化生产,。,固相反应法缺点是：煅烧,温度高,，,保温时间长,，对设备,要求较高,；,粒径分布不均匀,，,难以获得球形颗粒,，,粒子,易团聚，,需要粉碎,减小粒径，从而使发光体的晶形遭到破坏，降低荧光粉的结晶性，导致发光性能下降。,18,4,高温燃烧合成法,利用外部提供必要的能量诱发高放热化学反应，,体系局部发生反应形成化学反应前沿,(,燃烧波,),，化学反应在自身放出,热量的支持下快速进行,，燃烧波蔓延整个体系。反应热,使前驱物快速分解,，,导致大量气体放出，避免了前驱物因熔融而粘连，减小了产物的粒径。,体系在瞬间达到几千度的高温，,可蒸发除去挥发性杂质。,A. M. Morales , C. M. Lieber, Science, 1998, 279, 208,-,211.,5 激光烧蚀法,1.,激光源,2.,透镜,3.,样品,4.,加热炉,5.,冷凝装置,6.,载气,A.,气化,B.,液滴成核及长大,C.,硅的固化析出,D.,硅纳米线的生成,Si nanowire,100 nm,可预见性的选择催化剂和制备条件,成本高,A. M. Morales , C. M. Lieber, Science, 1998, 279, 208-211.,2024/10/19,光电子技术系光电工程专业,21,4.7,发光现象,Thanks for your attention!,