一种三价铈掺杂氮化铝纳米带的制备方法技术

本发明专利技术的三价铈掺杂氮化铝纳米带的制备方法属于LED荧光粉和纳米材料制备的技术领域。本发明专利技术的方法有如下步骤：将Al粉与CeO2粉末按100：1～2的摩尔比例放入混料机中混合均匀，压成压块；将压块置于石墨锅内，放入卧式直流电弧放电装置的反应室内的铜锅阳极中，钨棒阴极与铜锅阳极相对水平放置；将反应室抽成真空后充入氮气，氮气气压为40～60kPa，铜锅通入循环冷却水；在放电过程中，阴极逆时针旋转速度为2π/min,保持电压为20～40V，电流为100～120A，反应5～15分钟；再在氮气环境中钝化6～7小时，在冷凝壁上收集灰白色的毛绒状粉末为Ce3+掺杂的AlN纳米带本发明专利技术具有方法简单、反应快速、低成本、无污染、产量大、样品纯度高，可重复性好、无需添加催化剂等优点。

Preparation method of trivalent cerium doped aluminum nitride nanoribbons

The preparation method of the cerium-doped aluminum nitride nanoribbon of the invention belongs to the technical field of preparing LED phosphor and nano-material. The method of the invention comprises the following steps: mixing Al powder and CeO2 powder in the mixer at the molar ratio of 100:1 to 2, pressing the pressed block into a pressing block; placing the pressed block in a graphite pot, placing the copper pot anode in the reaction chamber of a horizontal DC arc discharge device, and placing the tungsten rod cathode and the copper pot anode relatively horizontally; pumping the reaction chamber; In the process of discharge, the cathode rotates counterclockwise at a speed of 2pi/min, the voltage is 20-40V, the current is 100-120A, and the reaction lasts for 5-15 minutes. Then the gray Plush powder is collected on the condenser wall after passivation in nitrogen atmosphere for 6-7 hours. The final Ce3+ doped AlN nanoribbon has the advantages of simple method, fast reaction, low cost, no pollution, high yield, high sample purity, good repeatability and no need to add catalyst.

【技术实现步骤摘要】
一种三价铈掺杂氮化铝纳米带的制备方法
本专利技术属于LED荧光粉和纳米材料制备的
，特别涉及了一种快速、简单的制备三价铈(Ce3+)掺杂氮化铝(AlN)纳米带的新方法。
技术介绍
AlN是宽的直接带隙(6.2eV)半导体，具有高的热导率(～300Wm-1K-1)和优异的物理和化学稳定性，从而使其在紫外光或可见光波长范围内具有新的光、电致发光性能。将稀土元素掺杂AlN内是近几年的研究热点，掺杂稀土元素的AlN在高效发光器件和短波长光器件的上都有广泛的应用前景。但只有在稀土元素稳定掺杂的高纯度材料中，AlN的优越性能才能完全显现。更重要的是稀土元素与AlN的晶格尺寸相差很大，所以很难进行成功的掺杂，所以开发大半径元素掺杂的新方法具有重大意义。Ce3+是由铈原子失去两个6s电子和一个4f电子而形成的。一般情况下，Ce3+的发光来源于5d-4f的跃迁，因为5d电子之外无任何屏蔽，所以Ce3+掺杂AlN的发光强烈地受其周围环境的影响。目前Ce3+掺杂AlN报道较少，只有高压、高温熔剂法制备的Ce3+掺杂AlN单晶，具有效率高的分红色发光中心(Sci.Rep.，2014，4(3):3778)。现代LED技术面临的巨大挑战是合成具有可控形貌和纳米尺寸的荧光粉。纳米荧光粉将使荧光材料的亮度和分辨率得到提高。而关于Ce3+掺杂AlN纳米荧光粉还没有报道，因此急需一种新型简单有效的制备方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，克服大半径元素掺杂困难，且制备过程中纯度不高、反应过程复杂，产量低等缺点，公开一种制备过程简单、产量高、样品纯度高的三价铈(Ce3+)掺杂氮化铝(AlN)纳米带的制备方法。本专利技术的三价铈掺杂氮化铝纳米带的制备方法，是采用直流电弧放电装置。具体的技术方案如下。一种三价铈掺杂氮化铝纳米带的制备方法，有如下步骤：将Al粉与CeO2粉末按100：1～2的摩尔比例放入混料机中混合均匀，压成压块；将压块置于石墨锅内，放入卧式直流电弧放电装置的反应室内的铜锅阳极中，钨棒阴极与铜锅阳极相对水平放置；将反应室抽成真空后充入氮气，氮气气压为40～60kPa，铜锅通入循环冷却水；在放电过程中，阴极逆时针旋转速度为2π/min，保持电压为20～40V，电流为100～120A，反应5～15分钟；再在氮气环境中钝化6～7小时，在冷凝壁上收集灰白色的毛绒状粉末为Ce3+掺杂的AlN纳米带。进一步，所述Al粉与CeO2粉末的摩尔比例为100：1。进一步，所述反应室内抽成真空后的真空度小于5pa。本专利技术利用直流电弧放电装置制Ce3+掺杂AlN纳米带具有方法简单、反应快速、低成本、无污染、产量大、样品纯度高，可重复性好、无需添加任何催化剂、模板、基底等优点。制备的产品在光电发射器，荧光粉、闪烁体探测器等领域具有应用潜力。附图说明图1本专利技术卧式直流电弧放电装置结构图。图2是实施例2制得的Ce3+掺杂AlN纳米带的SEM图。图3是实施例2制得的Ce3+掺杂AlN纳米带的EDS图。图4是实施例2制得的Ce3+掺杂AlN纳米带的XRD谱图。图5是实施例2制得的Ce3+掺杂AlN纳米带的PL谱图。图6是实施例3制得的Ce3+掺杂AlN纳米带的SEM图。图7是实施例3制得的Ce3+掺杂AlN纳米带的EDS图。图8是实施例3制得的Ce3+掺杂AlN纳米带的XRD谱图。图9是实施例3制得的Ce3+掺杂AlN纳米带的PL谱图。图10是实施例4制得的Ce3+掺杂AlN纳米带的SEM图。图11是实施例4制得的Ce3+掺杂AlN纳米带的XRD图。图12是实施例5制得的AlN样品PL图谱。具体实施方式实施例1直流电弧放电装置结构结合图1说明本专利技术制备Ce3+掺杂AlN纳米带的卧式直流电弧装置结构。图1中，1为反应室，2为冷凝壁，3为由钨棒构成的阴极，4样品收集区，5Al和CeO2混合粉末块，6水冷循环为阳极，7进水口，8出水口，9为进气口，10为出气口。直流电弧中的高温环境下的等离子体，是制备Ce3+掺杂AlN纳米带的关键所在。直流电弧法在高温、高电离和高淬冷的动态极端环境下，通过高温蒸发、升华和电子与离子束爆轰，易形成纳米和亚纳米尺度具有高反应活性的反应物团簇。这些团簇在适当成核条件下有利于大半径的Ce3+离子掺杂到AlN基质中。石墨锅构成的阳极能够有效的抗高温，并且在反应过程中，石墨埚能有效的还原CeO2中的氧，使样品掺杂均匀，纯度高。钨棒构成的阴极能有效的抗高温，卧式结构中阴极在制备过程中，延逆时针匀速转动，可以是阳极的反应原料更均匀的反应。实施例2制备最佳Ce3+掺杂AlN纳米带的的全过程。将Al与CeO2粉末按100：1的摩尔比例放入混料机中混合均匀。取出5g的混合粉，使用压片机压块，压成直径为1.8cm，高为2cm的圆柱体。将压成的混合块放入石墨锅，再放入直流电弧放电装置的反应室中阳极中。电弧放电装置的阳极为铜锅(铜锅内放置有共同作为阳极的电极石墨锅)，阴极为钨电极，钨棒阴极与铜锅阳极相对水平放置。将直流电弧放电装置的反应室抽成真空(小于5pa)，然后充40kPa氮气。铜锅通入循环冷却水，开始放电。在放电过程中，阴极逆时针旋转速度为2π/min，保持电压为20V，电流为100A，反应5分钟。再在氮气气环境中钝化7小时，然后在冷凝壁收集黄色绒毛状的Ce3+掺杂AlN纳米带。图2给出上述条件制备的Ce3+掺杂AlN纳米带的SEM图，可以看出样品为弯曲的纳米带，长度为1～2μm，厚度为100～200nm.图3给出上述条件制备的Ce3+掺杂AlN纳米带的EDS图，可以得出样品是由Al，N和Ce三种元素组成，并且Ce的含量为0.9％。图4给出上述条件制备Ce3+掺杂AlN纳米带的XRD谱图，证明样品为AlN，没有杂质峰出现。但与纯的AlN样品的XRD谱图比较，所有XRD衍射峰均向小角度移动，证明大离子半径的Ce掺杂到AlN中，使其晶格变大。图5是上述条件制备的Ce3+掺杂AlN纳米带的PL谱图，样品在644nm有一个强的发光峰，发出粉红色光。实施例3制备Ce3+掺杂AlN纳米带的全过程。将Al与CeO2粉末按100：2的摩尔比例放入混料机中混合均匀。取出3g的混合粉，使用压片机压块，压成直径为1.8cm，高为0.5cm的圆柱体。将压成的混合块放入石墨锅，再放入直流电弧放电装置的反应室中阳极中。电弧放电装置的阳极为铜锅(铜锅内放置有共同作为阳极的电极石墨锅)，阴极为钨棒电极，钨棒阴极与铜锅阳极相对水平放置。将直流电弧放电装置的反应室抽成真空(小于5pa)，然后充60kPa氮气。铜锅通入循环冷却水，开始放电。在放电过程中，保持电压为40V，电流为120A，反应15分钟后，再在氮气环境中钝化6小时，在冷凝壁上收集黄色的Ce3+掺杂AlN样品。图7给出上述条件制备的Ce3+掺杂AlN纳米带的SEM图，确认制得大部分为Ce3+掺杂AlN纳米带。图8给出上述条件制备的Ce3+掺杂AlN分级纳米带的EDS图，可以得出样品是由Al，N和Ce三种元素组成，并且Ce的含量为1.7％。图8给出上述条件制备Ce3+掺杂AlN纳米带的XRD谱图，证明样品为AlN，但有少量的CeO2杂质峰出现。图9是上述条件制备的Ce3+掺杂AlN纳米带的PL谱图，样品在635nm有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三价铈掺杂氮化铝纳米带的制备方法，有如下步骤：将Al粉与CeO2粉末按100：1～2的摩尔比例放入混料机中混合均匀，压成压块；将压块置于石墨锅内，放入卧式直流电弧放电装置的反应室内的铜锅阳极中，钨棒阴极与铜锅阳极相对水平放置；将反应室抽成真空后充入氮气，氮气气压为40～60kPa，铜锅通入循环冷却水；在放电过程中，阴极逆时针旋转速度为2π/min,保持电压为20～40V，电流为100～120A，反应5～15分钟；再在氮气环境中钝化6～7小时，在冷凝壁上收集灰白色的毛绒状粉末为Ce3+掺杂的AlN纳米带。

【技术特征摘要】
1.一种三价铈掺杂氮化铝纳米带的制备方法，有如下步骤：将Al粉与CeO2粉末按100：1～2的摩尔比例放入混料机中混合均匀，压成压块；将压块置于石墨锅内，放入卧式直流电弧放电装置的反应室内的铜锅阳极中，钨棒阴极与铜锅阳极相对水平放置；将反应室抽成真空后充入氮气，氮气气压为40～60kPa，铜锅通入循环冷却水；在放电过程中，阴极逆时针旋转速度为2π/min,保持电压为...

【专利技术属性】
技术研发人员：王秋实，张丽娜，张伟，吕航，王春杰，王月，钟敏，
申请(专利权)人：渤海大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21