一种纳米级碱土钪氧化物上转换发光材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种纳米级碱土钪氧化物上转换发光材料及其制备方法，解决现有技术中碱土钪氧化物上转换发光材料制备温度高、尺寸大及分散性差的技术问题。本发明专利技术的纳米级碱土钪氧化物上转换发光材料，其具有以下化学式的化合物：MSc2(1‑x‑y)O4:N

A nano-scale scandium oxide upconversion luminescent material and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种纳米级碱土钪氧化物上转换发光材料及其制备方法
本专利技术属于发光材料
，具体涉及一类近红外光激发的纳米级碱土钪氧化物上转换发光材料及其制备方法。
技术介绍
上转换发光是一种独特的非线性光学现象，指材料吸收能量较低的光子却能够发出较高能量光子的材料。由于其潜在的应用价值，近一二十年来不仅在基础科学研究领域，而且在生物成像、荧光探针、非线性光学器件、发光器件、太阳能电池、光催化等应用方面，引起了众多科研人员的格外关注。与传统荧光探针(有机染料和量子点等)相比，稀土掺杂的上转换发光纳米材料具有化学稳定性好、发光色纯度高、毒性低和Stokes位移大等优点。同时，长波-近红外光(800-1300nm)激发条件下，穿透深度较紫外、可见光具有较大优势，可以避免生物样品光散射以及自发荧光的干扰，从而使检测背景降低，信噪比提高。但是上转换发光为多光子过程，发光中心稀土离子的吸收截面积小，为禁戒f-f电偶极跃迁以及纳米晶表面存在大量猝灭中心等内在缺陷造成上转换发光效率低强度弱，制约了此类材料的现实应用。人们希望通过优选基质，离子共掺杂等方法提高荧光强度。稀土上转换发光材料根据基质组分的不同，可分为氟化物、氧化物、卤氧化物和硫化物等。这些基质材料中，以Na(Y,Lu)F4为代表的氟化物是目前公认的转换效率最高的基质材料。氟化物具有较低的声子能量，可以减小由于多光子弛豫造成的无辐射跃迁能量损失，从而导致较高的上转换发光效率。但是它的化学稳定性差、制作条件苛刻、不易控制、难以集成等缺点也非常突出，从而在一定程度上限制了它的应用。与氟化物相比，氧化物虽然声子能量略高，但它的制备工艺简单，环境条件要求较低，稀土离子的溶解度高，机械强度和化学稳定性好。因此，从基质稳定性出发，人们更倾向于寻求高效率的氧化物上转换材料。钪(Sc)元素位于第三副族(IIIB)顶端，是排位最靠前的过渡金属元素，原子序数只有21，使得Sc3+与其他稀土离子(例如Y3+和Lu3+离子)相比具有与众不同的物理化学特性。Sc没有4f层电子，同时具有最小的半径，因此Sc3+离子容易进到晶体的晶格之中。上转换发光非常依赖于晶场环境和给体与受体离子之间的距离，研究发现：Sc3+基化合物的上转换发光性质通常优于其他稀土离子构成的化合物。例如：在氟化物体系中，Na(Y,Lu)F4:Er3+/Yb3+上转换发光效率最高，但发光以绿色为主。张洪杰、黄岭、陈学元等研究组均发现钪基氟化物NaxScF4、6:Er3+/Yb3+中的上转换发光以红色为主，且六角相NaScF4:Er3+/Yb3+的红绿比高达13:1，具有增强红光发射的纳米晶材料可以更完美的应用于体内外生物成像领域。但是氧化物通常融化温度均很高，2000℃左右，以往报道中，钪基氧化物通常采用高温固相法制备。高温制备的氧化物发光材料是大量球状颗粒的团聚体，尺寸大、分散性很差，团簇造成离子浓度分布不均匀，影响发光效率的提高。
技术实现思路
本专利技术为解决现有技术中碱土钪氧化物上转换发光材料制备温度高、尺寸大及分散性差的技术问题，提供一种形貌规则、分散性好、尺寸较小、发光性能良好的纳米级碱土钪氧化物上转换发光材料及其制备方法。为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案具体如下：本专利技术提供一种纳米级碱土钪氧化物上转换发光材料，其具有以下化学式的化合物：MSc2(1-x-y)O4:N3+2x,Yb3+2y；其中，M为Mg、Sr、Ba中的一种；N为Er、Ho、Tm中的一种；x,y为元素摩尔分数，其取值范围为：0.0001≤x≤0.10，0.0001≤y≤0.20。在上述技术方案中，当M为Mg时，所述上转换发光材料为形貌规则的类球状；当M为Sr时，所述上转换发光材料为形貌规则的长棒状；当M为Ba时，所述上转换发光材料为形貌规则的短棒状。在上述技术方案中，所述上转换发光材料化学式为MgSc1.88O4:Er3+0.02,Yb3+0.1，其为形貌规则的类球状，直径为25～30nm；所述上转换发光材料化学式为SrSc1.88O4:Er3+0.02,Yb3+0.1，其为形貌规则的长棒状，高度为420～450nm，宽度为40～60nm；所述上转换发光材料化学式为BaSc1.88O4:Er3+0.02,Yb3+0.1，其为形貌规则的短棒状，高度为80～100nm，宽度为30～50nm。在上述技术方案中，所述上转换发光材料为正交晶系，具有CaFe2O4结构的碱土钪氧化物。本专利技术还提供一种纳米级碱土钪氧化物上转换发光材料的制备方法，包括以下步骤：(1)按表达式MSc2(1-x-y)O4:N3+2x,Yb3+2y，M为Mg、Sr、Ba中的一种；N为Er、Ho、Tm中的一种；x,y为元素摩尔分数，其取值范围为：0.0001≤x≤0.10，0.0001≤y≤0.20，中各物质的化学计量比分别量取Sc(NO3)3，Yb(NO3)3，及Er(NO3)3、Ho(NO3)3、Tm3(NO)3中的一种，以及Mg(NO3)2、Sr(NO3)2、Ba(NO3)2中的一种放于烧杯中，加入无水乙醇，利用磁力搅拌器充分搅拌，得到均匀的混合溶液，然后继续搅拌；(2)用碱性水溶液调节步骤(1)配制的混合溶液的pH为11～13，搅拌，得到悬浊液；(3)将步骤(2)得到的悬浊液置于水热反应釜中，在160～190℃烘箱中恒温反应12～48小时；将反应釜中的沉淀物离心取出，清洗、烘干，得到反应物前驱体沉淀；(4)将步骤(3)中得到的反应物前驱体沉淀放入刚玉坩埚中加盖，置于高温炉中，进行焙烧，焙烧温度为600～800℃，焙烧时间为1～3小时，取出研碎得到最终产物纳米级碱土钪氧化物上转换发光材料。在上述技术方案中，步骤(2)中所用的碱性水溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂水溶液中的一种。在上述技术方案中，步骤(3)中清洗、烘干的步骤具体如下：将沉淀物先用去离子水离心清洗3～5次，再用无水乙醇离心清洗3～5次，再放入烘箱中，于60～90℃恒温干燥8～15小时。在上述技术方案中，步骤(3)中水热反应的温度为180℃，时间为24小时。在上述技术方案中，步骤(4)中焙烧温度为600℃，时间为2小时。本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的一种纳米级碱土钪氧化物上转换发光材料为近红外光激发的纳米级的发光材料，与传统方法制备的钪氧化物基上转换发光材料相比，颗粒小、形貌规则、分散性好。如实施例1，2，3制备的样品的透射电镜照片可知，其中MgSc1.88O4:Er3+0.02,Yb3+0.1样品形貌为类球状，其直径为25～30nm；SrSc1.88O4:Er3+0.02,Yb3+0.1样品形貌为长棒状，其高度为420～450nm，宽度为40～60nm；BaSc1.88O4:Er3+0.02,Yb3+0.1样品形貌为短棒状，其高度为80～100nm，宽度为30～50nm。本专利技术制备的上转换发光材料，在980nm波长的红外光激发下可观察到明亮的400～850nm的可见光。与采用传统高温固相法制备的钪氧化物基上转换发光材料相比，尺寸更小，发光性能更好。本专利技术提供的一种纳米级碱土钪氧化物上转换发光材料的制备方法，是采用水热和退火相结合的方法，该方法具有可控性好、反应温度低、对设备要求低、对环境无污染等优点。本专利技术在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米级碱土钪氧化物上转换发光材料，其特征在于，其具有以下化学式的化合物：MSc2(1‑x‑y)O4:N

【技术特征摘要】
1.一种纳米级碱土钪氧化物上转换发光材料，其特征在于，其具有以下化学式的化合物：MSc2(1-x-y)O4:N3+2x,Yb3+2y；其中，M为Mg、Sr、Ba中的一种；N为Er、Ho、Tm中的一种；x,y为元素摩尔分数，其取值范围为：0.0001≤x≤0.10，0.0001≤y≤0.20。2.根据权利要求1所述的纳米级碱土钪氧化物上转换发光材料，其特征在于，当M为Mg时，所述上转换发光材料为形貌规则的类球状；当M为Sr时，所述上转换发光材料为形貌规则的长棒状；当M为Ba时，所述上转换发光材料为形貌规则的短棒状。3.根据权利要求1所述的纳米级碱土钪氧化物上转换发光材料，其特征在于，所述上转换发光材料化学式为MgSc1.88O4:Er3+0.02,Yb3+0.1，其为形貌规则的类球状，直径为25～30nm；所述上转换发光材料化学式为SrSc1.88O4:Er3+0.02,Yb3+0.1，其为形貌规则的长棒状，高度为420～450nm，宽度为40～60nm；所述上转换发光材料化学式为BaSc1.88O4:Er3+0.02,Yb3+0.1，其为形貌规则的短棒状，高度为80～100nm，宽度为30～50nm。4.根据权利要求1所述的纳米级碱土钪氧化物上转换发光材料，其特征在于，所述上转换发光材料为正交晶系，具有CaFe2O4结构的碱土钪氧化物。5.一种纳米级碱土钪氧化物上转换发光材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)按表达式MSc2(1-x-y)O4:N3+2x,Yb3+2y，M为Mg、Sr、Ba中的一种；N为E...

【专利技术属性】
技术研发人员：李静，李芬，袁美娟，陈力，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22