一种稀土掺杂铋系层状钙钛矿氧化物铁电上转换材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种稀土掺杂铋系层状钙钛矿氧化物铁电上转换材料的制备方法，该稀土掺杂铋系层状钙钛矿氧化物铁电上转换材料的化学式为Bi4-xRExTi3O12，其中，RE为Er、Tm和Yb中的一种或几种；x的取值范围0≤x≤0.14。本发明专利技术采用共沉淀反应法制备Bi1-xRExTi3O12纳米材料，其制备过程包括配料、溶解、混合、沉淀、清洗、煅烧等步骤，该方法操作方便、工艺简单、工艺稳定、成本较低、易于大规模工业化推广。本发明专利技术合成的Bi4-xRExTi3O12纳米材料具有良好的上转换发光性能，并且利用该纳米材料制备的陶瓷也展现出优异的铁电性能。本发明专利技术制备的兼具优异铁电与上转换性能的铋系层状钙钛矿氧化物材料在未来光电传感与光电集成等技术领域具有广阔应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及功能材料领域，具体涉及一种稀土掺杂铋系层状钙钛矿氧化物铁电上转换材料及其制备方法。
技术介绍
上转换发光，也称反斯托克斯(Anti-stokes)发光，是通过低能量的光子激发材料使其发射高能量光子的过程。稀土上转换功能材料在固态激光器，三维立体显示，温度传感，光伏电池，生物成像等方面具有广阔应用前景。由于具有较低的声子能量，氟化物和氯化物是目前研究最广泛的上转换基质材料。遗憾的是，氟化物和氯化物上转换功能材料的物理化学性能稳定性很差且其对环境有污染，这些问题严重限制了该类上转换功能材料的实际应用。另外，需要指出，现代微电子工业的迅猛发展也对功能材料研究提出了更高要求。单一材料中多种物理效应及其内禀交互作用的实现是未来功能器件材料发展的方向。然而，目前广泛研究的上转换材料通常仅具有上转换发光单一功能。最近，兼具铁电功能与发光属性的铋系层状钙钛矿氧化物铁电上转换材料在国际范围内引起了科研工作者的持续关注。与以往传统的氟化物和氯化物上转换材料相比，铋系层状钙钛矿氧化物铁电上转换材料具有相对较低的声子能量，稳定的物理化学特性，对环境无污染且能同时对外界电与光激励响应。因此，铋系层状钙钛矿氧化物铁电上转换材料是一种很有前景的多功能光电器件类材料。目前研究的铋系层状钙钛矿氧化物铁电上转换材料的制备方法主要有传统固相反应法与溶胶凝胶法。对固相反应法而言，制备过程中化学原料不易均匀混合，产物需高温煅烧会造成元素挥发形成各种缺陷，并且所获样品晶粒尺寸较大且粒径不均，这些都严重影响材料物理性能。对溶胶凝胶法而言，制备过程一般需要各种金属醇盐，成本较高，不易大规模生产。与之对比，共沉淀法成本较低且制备过程中可以实现各元素在分子级别接触和反应，产物煅烧温度低，易得到高纯度且尺寸均匀的纳米材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服已有技术的不足，提供一种新的稀土掺杂铋系层状钙钛矿氧化物铁电上转换材料制备方法。为实现上述目的及其它目的，本专利技术是通过如下技术方案予以实现的：本专利技术提供了一种稀土掺杂铋系层状钙钛矿氧化物铁电上转换材料的制备方法，该稀土掺杂铋系层状钙钛矿氧化物铁电上转换材料的化学式为Bi4-xRExTi3O12，其中，RE为Er、Tm和Yb中的一种或几种；x的取值范围0≤x≤0.14。所述的稀土掺杂铋系层状钙钛矿氧化物铁电上转换材料为采用共沉淀法制备，所述的方法包括如下步骤：步骤1：以分析纯级的Bi(NO3)3·5H2O，C16H36O4Ti，高纯级的Er(NO3)3·5H2O，Tm(NO3)3·6H2O，Yb(NO3)3·6H2O为原料，按照化学式Bi4-xRExTi3O12，其中，RE为Er、Tm和Yb中的一种或几种；x的取值范围0≤x≤0.14，遵照摩尔比进行配比；步骤2：将分析纯浓硝酸(65～68％)溶于去离子水中，浓硝酸和去离子水的体积比为1∶5，配制60毫升浓硝酸-去离子水溶液；步骤3：将适量Bi(NO3)3·5H2O加入步骤2所得的浓硝酸-去离子水溶液中，搅拌1小时，得澄清溶液A；步骤4：将适量Er(NO3)3·5H2O、Tm(NO3)3·6H2O、Yb(NO3)3·6H2O加入15毫升去离子水中，搅拌溶解得澄清溶液B；步骤5：将适量C16H36O1Ti加入50毫升分析纯无水乙醇中，搅拌溶解得澄清溶液C；步骤6：将步骤4所得B溶液缓慢加入到步骤3所得A溶液中，用去离子水定容至150毫升，并搅拌溶解得澄清溶液D；步骤7：将步骤5所得C溶液缓慢加入到步骤6所得D溶液中，并加入8毫升浓硝酸，持续搅拌2小时，得澄清溶液E；步骤8：将氨水缓慢逐滴加入步骤7所得E溶液中，搅拌均匀，调节PH～10，进行共沉淀反应2小时，得到Bi4-xRExTi3O12前驱体溶液；步骤9：将步骤8所得Bi4-xRExTi3O12前驱体溶液利用去离子水反复离心洗涤，调节PH～7，得产物Bi4-xRExTi3O12；步骤10：将步骤9所得产物置于电热鼓风干燥箱在90℃烘干12小时，得到Bi4-xRExTi3O12前驱粉体；步骤11：将步骤10所得前驱粉体置于高温箱式炉中经500～800℃热处理90分钟得到Bi4-xRExTi3O12纳米材料；步骤12：将步骤11所得Bi1-xRExTi3O12纳米粉中加入浓度为5％的PVA进行造粒，在8MPa压力下制备直径10mm的陶瓷生坯片；步骤13：将步骤12所得Bi4-xRExTi3O12陶瓷生坯片置入高温炉中，连续升温，在700℃保温60分钟排塑，然后连续升温，在1000℃烧结90分钟，得Bi4-xRExTi3O12陶瓷材料。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术共沉淀制备方法具有工艺简单、工艺稳定、成本较低、易于大规模工业化推广等优点。(2)本专利技术通过简单的调控制备温度就可以合成出不同粒径尺寸，大小均匀，上转换性能好的荧光纳米材料。(3)利用本专利技术获得的纳米材料，在相对较低温度下合成的陶瓷样品展现出优异的铁电性能。(4)本专利技术制备的铋系层状钙钛矿氧化物材料具有优异的铁电与上转换性能，在未来光电传感与光电集成等
具有广阔应用前景。附图说明：图1给出的是不同温度下制备的Bi4Ti3O12纳米材料的X射线衍射图谱。图2给出的是不同温度下制备的Bi4Ti3O12纳米材料的扫描电子显微镜照片。图3给出的是利用本专利技术Bi4Ti3O12纳米材料制备的陶瓷样品室温电滞回线。图4给出的是利用传统固相反应法制备的Bi4Ti3O12陶瓷样品室温电滞回线。图5给出的是Bi3.92Er0.08Ti3O12纳米材料的扫描电子显微镜照片。图6给出的是700℃下合成的Bi3.92Er0.08Ti3O12纳米材料的上转换发射光谱。图7给出的是700℃下合成Bi3.86Er0.04Yb0.1Ti3O12纳米材料的扫描电子显微镜照片。图8给出的是700℃下合成Bi3.86Er0.04Yb0.1Ti3O12纳米材料的上转换发射光谱。图9给出的是700℃下合成Bi3.89Tm0.01Yb0.1Ti3O12纳米材料的扫描电子显微镜照片。图10给出的是700℃下合成Bi3.89Tm0.01Yb0.1Ti3O12纳米材料的上转换发射光谱。具体实施方式：现结合具体实施例对本专利技术做进一步地描述：实施例1制备Bi4Ti3O12纳米材料，制备方法如下：将50毫升去离子水，10毫升分析纯浓硝酸(含量65～68％)加入250毫升烧杯中，置于磁力搅拌器上搅拌均匀，得60毫升浓硝酸-去离子水溶液。将3.9198克Bi(NO3)3·5H2O加入浓硝酸-去离子水溶液中，搅拌1小时，然后利用去离子水定容至150毫升，得澄清溶液A。将2.0625克C16H36O4Ti加入50毫升分析纯无水乙醇中，搅拌溶解得澄清溶液B。将B溶液缓慢加入到A溶液中，并加入8毫升浓硝酸，持续搅拌2小时，得澄清溶液C。将氨水缓慢逐滴加入C溶液中，搅拌均匀，调节PH～10，得到Bi4Ti3O12前驱体溶液D。将前驱体溶液D进行共沉淀反应2小时，然后经去离子水反复离心洗涤，置于电热鼓风干燥箱在90℃烘干12小时，得到Bi4Ti3O12前驱粉体。将前驱粉体置于高温箱式炉中经500～800℃热处理90分钟得到Bi4Ti3O12本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种稀土掺杂铋系层状钙钛矿氧化物铁电上转换材料的制备方法，该稀土掺杂铋系层状钙钛矿氧化物铁电上转换材料的化学式为Bi4‑xRExTi3O12，其中，RE为Er、Tm和Yb中的一种或几种；x的取值范围0≤x≤0.14。

【技术特征摘要】
1.一种稀土掺杂铋系层状钙钛矿氧化物铁电上转换材料的制备方法，该稀土掺杂铋系层状钙钛矿氧化物铁电上转换材料的化学式为Bi4-xRExTi3O12，其中，RE为Er、Tm和Yb中的一种或几种；x的取值范围0≤x≤0.14。2.如权利要求1所述稀土掺杂铋系层状钙钛矿氧化物铁电上转换材料的制备方法，其特征在于，所述的铁电上转换材料为采用共沉淀反应法制备，所述的方法包括如下步骤：(1)配料：以分析纯级的Bi(NO3)3·5H2O，C16H36O4Ti，高纯级的Er(NO3)3·5H2O，Tm(NO3)3·6H2O，Yb(NO3)3·6H2O为原料，按照化学式Bi4-xRExTi3O12，其中，RE为Er、Tm和Yb中的一种或几种；x的取值范围0≤x≤0.14，遵照摩尔比进行配比；(2)溶解：将分析纯浓硝酸(65～68％)溶于去离子水中，浓硝酸和去离子水的体积比为1∶5，配制60毫升浓硝酸-去离子水溶液；(3)溶解：将适量Bi(NO3)3·5H2O加入步骤2所得的浓硝酸-去离子水溶液中，搅拌1小时，得澄清溶液A；(4)溶解：将适量Er(NO3)3·5H2O、Tm(NO3)3·6H2O、Yb(NO3)3·6H2O加入15毫升去离子水中，搅拌溶解得澄清溶液B；(5)溶解：将适量C16H36O4Ti加入50毫升分析...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏通，王旭东，董泽，李浦，吴巨，
申请(专利权)人：中国民航大学，
类型：发明
国别省市：天津;12