摘 要

近年来，因在催化材料、荧光材料和生物监测方面有着广阔的应用前景，控制合成不同结构形态的纳米晶得到了科研人员的广泛关注。其中，无机氟化物材料在光学应用方面有着更突出的优势，因为与其他氧化物、硫化物材料相比，氟化物具有较低的声子能和高透明度，从而减少了非辐射弛豫。由于氟化物独特的性能，近年来一直在开展稀土氟化物的相关研究，其中Y³ /Ln³ -based稀土氟化物一直是研究的重点，而Sc/Ln³ -based氟化物确被忽视了。

本文通过一种简单的溶剂热法制备了单分散ScF₃和NaScF₄纳米晶。影响产物合成的因素有很多，包括Na/F/(Sc Ln) 和Ln³ 的摩尔比以及不同Ln³ 的掺杂等。控制不同的Na/Sc/F摩尔比，可以明显观察到纳米晶从立方相ScF₃到六方相NaScF₄的相转变。另外，我们还制备了不同Yb/Er共掺杂浓度的样品。根据最后得到的结果我们知道了，掺入不同浓度的Yb/Er，可以改变产物的晶体结构和外观形貌与尺寸等。

关键词：上转换纳米颗粒 合成 NaScF₄ ScF₃ 掺杂

Preparation and characterization of NaScF₄ rare earth

nanoparticles

Abstract

In recent years, because of the wide application of the catalytic materials, fluorescent materials and biological monitoring, many groups are making efforts to control the synthesis of nanocrystals with different phases and morphologies. Among them, the inorganic fluoride materials have more outstanding advantages in optical applications, because of that the fluoride materials have a lower phono energy and higher transparency than oxide and sulfide material. Due to the unique properties of fluoride, the research on rare earth fluoride has been carried out in recent years.

Monodisperse NaScF₄ and ScF₃ nanocrystals were prepared by a very simple solvothermal method. There are many important factors which control the synthesis of the products including the molar ratio of Na/F/Re (Sc Ln) and Ln³ doping. When changing the molar ratios of Na/Sc/F, we can observe the NaScF₄ phase transform to ScF₃ phase. Furthermore, we prepared the products with different doping concentrations of Yb/Er and the results revealed that the morphology, size and phase can be precisely modified by changing the concentration of Yb/Er.

Keywords：Upconversion nanoparticles；Synthesis；NaScF₄；ScF₃；doping

目 录

摘要…………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract…………………………………………………………………………Ⅱ

目录…………………………………………………………………………………Ⅲ

第一章 绪论………………………………………………………………………1

1.1研究背景……………………………………………………………………1

1.2稀土上转换荧光纳米材料综述……………………………………………2

1.2.1稀土上转换发光……………………………………………………2

1.2.2上转换发光机制……………………………………………………2

1.2.3稀土上转换发光理论………………………………………………3

1.2.4稀土离子能级………………………………………………………4

1.3稀土上转换荧光纳米颗粒的制备…………………………………………4

1.4 本文研究内容………………………………………………………………4

第二章 制备工艺及实验过程…………………………………………………9

2.1引言…………………………………………………………………………9

2.2实验原料和仪器……………………………………………………………9

2.3实验方法……………………………………………………………………10

2.4表征……………………………………………………………………10

第三章 实验数据及分析………………………………………………………11

3.1基质的物相与形貌…………………………………………………………11

3.1.1 Na/Sc摩尔比………………………………………………………12

3.1.2 F/Sc摩尔比………………………………………………………13

3.2 Yb/Er掺杂基质的形貌结构………………………………………………14

3.2.1 制备Yb/Er共掺杂的ScF₃上转换纳米颗粒………………………14

3.2.2调节Yb掺杂量……………………………………………………15

3.3晶体生长和相转换机制……………………………………………………17

3.4 发光性能…………………………………………………………………18

3.4.1 上转换荧光光谱…………………………………………………18

第四章 结论与展望……………………………………………………………19

4.1结论………………………………………………………………………19

4.2展望………………………………………………………………………19

参考文献…………………………………………………………………………20

致谢…………………………………………………………………………………23

第一章 绪论

1.1 研究背景

在最近的十几年时间里，越来越多的科研工作者开始把时间和精力用在合成不同种类、不同晶体结构以及不同形貌的纳米晶体颗粒上^[1]。其中，无机氟化物材料在光学应用方面有着更突出的优势，与其它氧化物和硫化物相比，氟化物具有较低的声子能量，透明度较高，从而减少了非辐射弛豫^[2]。由于氟化物独特的性能，近年来一直在开展稀土氟化物的相关研究，其中Y³ /Ln³ -based稀土氟化物一直是研究的重点，而Sc-based氟化物却被忽视了，关于NaScF₄的研究论文也很少^[3]。众所周知，在稀土元素中，Sc有着最小的离子半径和特殊的电子构型。因此，Sc-based氟化物有着和Y³ /Ln³ -based氟化物不同的光学性能。本文提出，由于Sc离子较小的粒径，ScF₃（镱铒掺杂）和NaScF₄（镱铒掺杂）纳米晶显示出与YF₃和NaYF₄（镱铒掺杂）纳米颗粒不一样的上转换发光性质^[4]。因此，Sc-based氟化物也应该是一个优秀的基质材料，并在PL、场发射显示器、生物成像和磁共振成像领域有着广阔的应用^[5]。近期，张的课题组通过一步水热法合成了NaScF₄:Yb/Er纳米晶，显示出较强的上转换红光发射。黄的课题组通过控制NaF/Ln³ 的摩尔比，利用热分解法制备了Na_xScF_{3 x}:Yb/Er上转换纳米颗粒^[6]。

已有文献中大部分都采用热分解法合成NaScF₄材料。但是热分解法和水热溶剂热的方法比较起来的话，它有着许多缺点。热分解法不仅会使用许多污染环境的有机溶剂，而且其制备还需要高温惰性气氛条件下进行。所以，我们更倾向于或者说更应该使用水热溶剂热的方法来制备氟化物上转换纳米材料^[7]。

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