晶体颗粒

2024-08-10

晶体颗粒（精选3篇）

晶体颗粒篇1

由Eu2+激发的BaMgAl10O17:Eu2+(BAM)是目前典型的稀土三基色中的蓝光荧光粉。由于其良好的发光效率和色纯度,已被广泛应用于荧光灯(FL)、高分辨率电视(HDTV)、等离子显示器(PDP)及场发射显示器(FED)和发光二极管(LED)等产品。目前,文献报道的BAM蓝粉的制备工艺有高温固相法[1]、溶胶-凝胶法[2]、表面扩散法[3]、燃烧法[4]、喷雾热解法[5]等,其中高温固相法是唯一的在工业化实际生产中使用的方法。采用高温固相法制备BAM荧光粉体,虽然工艺简单,但由于烧结温度一般都在1500℃以上,粉体间的团聚非常严重,使用前的粉碎过程会大幅度降低荧光粉的发光强度。因此,在制备BAM蓝粉时,选择加入合适的助熔剂是非常重要的,在促进烧结的同时,助熔剂在晶界处的富集会阻碍晶体的连续生长,从而有可能得到较小的荧光粉颗粒。另一方面,在烧结过程中,助熔剂的存在还可能有利于晶体在某一个方向的优势生长,所以不同的助熔剂作用下可以得到不同形状的荧光粉颗粒。

合适的助熔剂应具备以下物理化学性质[6]:[1]对晶体材料应具有足够强的溶解能力,这样才能起到有效的降低合成温度的作用。[2]尽可能小的黏滞性,以便得到较快的溶质扩散速度和较高的晶体生长速度。[3]最好含有与欲生长出的晶体有一种以上的相同的离子,又不含可能以置换形式进入晶格的离子。[4]合适的熔点-沸点(熔程范围),反应后容易洗涤去除,不会造成荧光粉污染。根据上述依据,本文选择了H3BO3、BaF2、AlF3和MgF2为助熔剂,利用高温固相法制备了BAM蓝粉,并分析讨论了不同助熔剂对荧光粉晶体结构、颗粒形貌及发光性能的影响。

1 实验

(1)原料和试剂:

Eu2O3(99.999%)、Al2O3、BaCO3、MgO、H3BO3、BaF2AlF3、MgF2均为分析纯。

(2) BAM蓝粉的制备:

按照Ba0.9MgAl10017:Eu2+0.1的配比准确称量所需药品和所加的摩尔分数为10%的不同种类的助熔剂。在玛瑙研钵中研磨,充分混匀后置于刚玉烧舟中,放入高温烧结炉中于1450℃恒温4h。然后将烧结后粉体研磨、酸洗和水洗、干燥。将干燥后粉末置于N2-H2气氛还原炉中于1000℃还原3h,最后再将还原后粉体研磨、酸洗和水洗,在100℃真空干燥箱内烘干即得产品。

(3) BAM蓝粉的表征:

蓝粉的晶体结构采用日本DM AX-33型转靶X射线衍射仪测定,所用阳极金属为Cu靶,X射线波长为0.15418 nm,阳极电压为15Kv。荧光粉的颗粒形貌采用日本株式公社JSM-6060型电子扫描显微镜(SEM)测定。荧光粉的激发和发射光谱采用Cary Eclipse光谱仪测定。

2 结果与讨论

2.1 各种助熔剂熔点及性质比较

2.2 不同助熔剂对BAM蓝色荧光粉晶体结构的影响

在固相反应中使用的助熔剂在高温下会形成一个微熔区,从而有利于反应原料间的充分接触,可以促进烧结,也比较有利于保持晶格的完整性。图1是在不同助熔剂作用下样品的X射线衍射图。由图1可知,用4种助熔剂制备的BAM蓝粉,其X射线衍射图和标准对比都对应的比较好,说明在相同的试验条件下,使用H3BO3、BaF2、AlF3和MgF24种助熔剂都能制备出BAM蓝色荧光粉。通过比较它们的衍射图谱发现:加入助熔剂的4种蓝粉和未加助熔剂的样品相比,杂峰少,衍射峰强度高,其中H3BO3的强度又稍高于三种氟化物。其原因是由于H3BO3的熔点为171℃远低于其他三种氟化物,所以在反应升温过程中H3BO3比三种氟化物更早的熔融为液态。H3BO3熔融后形成的液相膜包覆在前驱体固体颗粒表面上,液相的存在本身就有利于固体颗粒之间物质的相互扩散,而且由于液态表面张力的作用,促进颗粒之间的相互靠近,因而进一步加强了颗粒之间的扩散,促进了BAM相的生成。对于不同种类的助熔剂,由于其性质的差异,在物相形成过程中的作用方式和作用机理也各不相同.对于使用氟化物A1F3、BaF2和MgF2为助熔剂的样品,一般认为在1 000℃首先生成BaMgF中间相,在高温下再进一步反应生成BAM。从实验结果可以看出,在高温固相反应中选择适当的助熔剂,更有利于BAM的生成。

2.3 不同助熔剂对BAM蓝色荧光粉颗粒形貌的影响

在高温固相反应中加入助熔剂,不但可以降低反应温度,有利于反应物的生成,同时也可以使颗粒形貌变得规则,粒径分布变窄。但是不同助熔剂对晶体在某一个方向的优势生长的作用是不同的,因此在不同的助熔剂作用下得到的荧光粉的颗粒形状和尺寸也不一样[7]。图2为使用不同助熔剂制备的BAM的SEM照片。从图2中可看出,未加助熔剂的样品,颗粒大小不均匀,形状不规则。相比之下,加人助熔剂样品的颗粒形貌有了不同程度的改善,颗粒大小趋于均匀,颗粒形状也趋于规则。以MgF2和AlF3为助熔剂的样品颗粒接近于六角片状,以MgF2为助熔剂的样品颗粒粒径约为5.0μm,颗粒表面比较光滑,以AlF3为助熔剂的样品颗粒粒径约为3.0μm,颗粒尺寸更为均匀。而以H3BO3和BaF2为助熔剂的样品基本上接近球形,以H3BO3为助熔剂的颗粒粒径大约为5μm,以BaF2为助熔剂的样品粒径约为2-3μm。这说明助熔剂对BAM颗粒形貌有较大程度的影响,使用不同类型的助熔剂,生成的BAM形貌是完全不同的。采用合适的助熔剂,在促进荧光粉烧结的同时,助熔剂在晶界处的富集会阻碍晶体的连续生长,从而有可能得到较小的样品颗粒。另一方面,在烧结过程中,助熔剂的存在还可能有利于晶体在某一个方向的优势生长,因此在不同的助熔剂作用下可以得到不同形状的荧光粉颗粒。

2.4 不同助熔剂对BAM蓝色荧光粉发光性能的影响

在发光材料形成的过程中,助熔剂是起着帮助熔化和溶媒作用的物质,它可以使激活剂更容易进入基质,并促进形成微小的晶体,使激活剂离子均匀地分布到基质中,可以提高荧光粉的发光效率[8]。图3和图4分别为用4种助熔剂制备的BAM的激发光谱和发射光谱图。由图3可看出,虽然使用了不同的助熔剂,但样品的激发光谱却整体上呈现出相似的规律,都在大约254nm和325nm处分别出现了两个宽带,这是由于Eu2+的d轨道晶体场分裂所致[9,10]。稍有不同的是,使用不同助熔剂的样品的激发光谱强度在两个区域各不相同:以AlF3为助熔剂的样品的发光强度最高,以为BaF2助熔剂的样品的发光强度次之,以H3BO3为助熔剂的样品的发光强度处于BaF2和MgF2之间,未加助熔剂的样品的发光强度最低。图4是在254nm的紫外可见光激发下,使用不同助熔剂的BAM的发射光谱.同激发光谱一样,这些发射光谱强度整体上也都具有相似的规律,在450nm附近出现了一个宽带射,对应于Eu2+的发射光谱。同时,将使用不同助熔剂样品的发射光谱进行对比,发现以BaF2为助熔剂的样品的发光强度最高,其他使用助熔剂的样品的发光强度由强到弱依次为AlF3、H3BO3、MgF2,未加助熔剂样品的发光强度则最低。

3 结论

用高温固相法制备蓝色荧光粉BAM时,添加不同的助熔剂对荧光粉的结晶成核、颗粒形貌以及发光性能的影响是不同的。通过研究H3BO3、BaF2、AlF3和MgF2 4种物质做助熔剂制备的BAM蓝粉的晶体结构、颗粒形貌和发光性能发现:

(1)使用助熔剂对BAM的生成有一定的影响。添加助熔剂比未加助熔剂更有利于BAM物相的生成。其中以H3BO3为助熔剂的样品晶相纯度稍高于以氟化物为助熔剂的样品。

(2)助熔剂对BAM的颗粒形貌有一定的影响。采用不同的助熔剂可以形成不同形状的BAM粉体颗粒。以MgF2和AlF3为助熔剂的样品颗粒接近于六角片状,而以H3BO3和BaF2为助熔剂的样品基本上接近球形。

(3)助熔剂对BAM发光性能有一定的影响。在254nm的紫外可见光激发下,不同种类助熔剂样品的发射光谱强度由强到弱依次为BaF2、AlF3、H3BO3、MgF2和未加助熔剂的样品。

摘要：对采用先烧结再还原的高温同相法制备了BaMgAl10O17:Eu2+(BAM)蓝色荧光粉,研究了H3BO3、BaF2、AlF3和MgF2 4种助熔剂对BAM蓝色荧光粉的物相纯度、粉体颗粒形貌和发光性能的影响。结果表明:添加了助熔剂的样品比未加助熔剂的样品更有利于BAM的生成,其中H3BO3比BaF2、AlF3、MgF2效果稍强;采用适当的助熔剂可以得到不同形状的荧光粉颗粒;在254nm的紫外线激发下,使用不同种类助熔剂样品的发射光谱强度由强到弱依次为BaF2、AlF3、H3BO3、MgF2未加助熔剂的样品。

关键词：BaMgAl10O17,Eu2+,助熔剂,晶体结构,颗粒形貌,发光性能

参考文献

[1]Tanno Hiroaki,ZHANG Shuxiu,et al.The Role of Oxygen Vacancy in the Energy Transfer Processes of BaMgAl_(10)O_(17):Eu~(2+)Phosphor[J].Chinese Journal Of Electron Devices,200831:180-183

[2]Seoung-SooLee,Hee Jin Kim,So ng-Ho Byeon,eta1. Thermal-shock-assisted solid-state process for the production of BaMgAl_(10)O_(17):Eu phosphor[J].J Luminescence,2005,44:4300-4305

[3]张世英,李德意,魏坤.溶—凝胶法制备BaMgAl_(10)O_(17): Eu荧光粉的研究[J].中国陶瓷工业,2003,10:36-3 9

[4]陈哲,严有为.PDP用纳米BaM gAl_(10)O_(17):Eu荧光粉的燃烧合成及发光性能[J].物理化学学报, 2006,22(8):1030-1033.

[5]Kyeong Youl,Dong Youl Lee,Yun Chan Kang Hee, etalImproved photoluminescence of BaMgAl_(10)O_(17) blue phosphorby spary pyrolysis[K].J Luminescence,2003,105:127-134

[6]D.T.Palumbo,J.j.Brown.Electronic states of Mn2+ activated phosphors[J].Journal of Electrochemistry society, 1970,117:1184-1188

[7]王晓娟,辛红,吴俊芳.助熔剂对B aM:Eu~(2+)蓝色荧光粉形貌和发光强度的影响[J].西安工程科技学院学报,2007,21(4):503-506.

[8]王飞,张金朝,宋鹂.助熔剂法合成Gd2O2S:Tb荧光粉[J].华东理工大学学报(自然科学版),200632(8):943-947

[9]ZHANG J unying,ZHANG Zhongtai,TANG Zilong, etal.Synthesis and characterization of BaMgAl_(10)O_(17) l:Eu~(2+) phosphor derived by sol-gel processing[J].Powder Technology,2002,126(2):161-165.

[10]RONDA C R,SMETS B M J.Chemical composition of Eu~(2+) luminescence in the barium hexaaluminates[J]. Joumal of the Electrochemical Society.1989,136(2):570-573.

晶体颗粒篇2

一个一个的原子如何“搭建”晶体定制具有不同用途的晶体材料为时不远

科技日报讯 (记者陈丹) 英国研究人员首次能够观看晶体由原子一个一个地“搭建”而成的全过程, 这赋予了他们令人难以置信的控制纳米微观结构的能力。这项被称为纳米晶体测量学 (Nanocrystallometry) 的新技术有望用于定制具有不同用途的晶体, 比如净水剂或者隐形斗篷等。

“这是第一次我们可以真正拍摄到单个原子的运动, 并观察原子一个一个地组装成晶体。”英国华威大学的尼古拉斯·巴里说。

在纳米尺度的世界里, 即使是由同一材料制成的杆、球和点, 也拥有显著不同的化学和物理性质。但迄今为止, 科学家控制此类结构的能力有限, 因为它们生长得太快, 即使是最好的电子显微镜也捕捉不到。

巴里和他的同事利用一张含有金属锇、碳和其他元素的分子薄膜开展了新实验。据《新科学家》杂志网站5月28日 (北京时间) 报道, 他们将一束电子束射向分子薄膜, 使大多数分子分裂并释放出单个锇原子, 其余的则熔合成一个能够支撑这些自由原子的石墨烯晶格。而关键点在于, 这个石墨烯晶格中含有杂质。

巴里解释说:“它掺杂了硼原子和硫原子, 这能让石墨烯表面的单个金属原子的运动减速。”这些行动迟缓的原子和电子显微镜的图像捕捉速度一样, 研究团队因此能够看到晶体生长的过程。

研究人员还使用多种金属原子首次制造出了锇钌合金, 这表明该方法可以令人信服地创建出拥有有趣性质的其他新型材料。借助这项技术, 科学家将能够观看不同的化学原料如何生长成晶体, 并设法定制可应用于不同领域的晶体。此外, 他们还能按需设计晶体的缺陷。

诺丁汉大学的托马斯·张伯伦表示:“这种观看单个原子一个一个结合形成纳米粒子的能力, 对于了解材料在原子水平上如何形成是一个重大贡献。”

但他同时指出, 晶体的反应会构成障碍。如果粒子表面没有一个稳定的覆盖层, 晶体材料将与它所遇到的其他粒子吸附在一起, 从而越长越大, 活性也越来越低。“这些晶体的有用特性将随时间快速改变, 进而消失。”

尽管如此, 巴里认为, 石墨烯晶格上的高活性无涂层结晶“岛”也是可以发挥作用的。比如, 其可在原子尺度上探测气体或者药物。

总编辑圈点:

对不同晶体的各向异性的利用已经渗透到人们生活、生产的各个领域。虽然当前对结晶的共性方法和理论已有较全面的总结, 但真正具体到每一类物质或每个物质, 它们的结晶条件又不完全相同, 如果能够观看到结晶原子的运动, 并与结晶的外部条件结合, 就能找到对结晶过程精确控制的办法, 制备出纯度更高和性能更好的晶体, 这将开启晶体材料科学的新时代, 希望科学家能够举一反三, 尽快找到观察其它晶体的办法。

晶体颗粒篇3

本研究的具体工作是利用材料微观组织结构仿真软件ProDesign[3]构造出三维多晶体材料微结构, 结合C程序设计、Python脚本语言[4], 建立三维多晶体材料微结构的有限元模型, 在此基础上自主设计与研发软件AutoORI, 对商业有限元软件ABAQUS/CAE生成的INP文件的进行后处理二次开发, 用于实现:

(1) 三维多晶体材料微结构的有限元几何模型建立、网格划分及为模型施加约束及载荷;

(2) 对三维多晶体材料微结构赋不同的晶体学取向, 并做到自动提交分析, 当出现多个分析作业时, 能够做到依次挨个自动提交分析。

AutoORI软件是针对ABAQUS分析软件生成的INP文件自主开发的后处理程序, 其主要功能是:

(1) 自动为多晶体微结构模型替换晶体学取向, 实现多晶体微结构模型内晶体学取向的替换;

(2) 产生一些列具有相同边界条件, 几何结构, 材料属性的多晶体材料微结构模型;

(3) 将产生的一系列多晶体材料微结构模型自动提交到ABAQUS计算器, 开始依次自动分析, 并保存结果。

AutoORI软件最终生成一系列具有相同的边界条件和几何结构的多晶体微结构模型, 这些模型的唯一区别是其内部晶体学取向是各异的, 从而实现分析结果的可比性。

本文并不特别针对某种特定的材料, 而是在方法层面上解决材料微结构虚拟分析时晶体学取向对微结构力学响应的影响。

1 ABAQUS, Python 简介

ABAQUS是国际上最先进的大型通用有限元计算分析软件之一, 具有很好的模拟性能。它拥有大量不同种类的单元模型、材料模型等[5], 还为用户提供了大量的二次开发接口。因此可以借助ABAQUS 计算平台, 实现用户自己的功能。

Python是一种面向对象的程序设计语言, ABAQUS的脚本接口是Python语言的一个扩展, 可以利用ABAQUS脚本接口, 绕过ABAQU/CAE GUI, 直接对ABAQUS内核进行操作。可以用Python语言编制ABAQUS脚本接口可以执行的程序[5,6]。ABAQUS脚本接口即是一个基于对象 (object) 的程序库。脚本接口中的每个对象都拥有相应的数据成员 (data) 和函数, 对象中的函数专门用来处理对象中的数据成员。在Python中, 这些函数被称为相应对象的方法 (method) , 用来生成对象的方法被称为构造函数 (constructor) 。

2 构造三维多晶体材料微结构模型

利用材料微观组织结构仿真软件ProDesign构造出三维多晶体材料微结构, 结C程序设计、Python脚本语言, 实现三维多晶体材料微结构模型的建立和有限元网格划分、模型的边界条件设置。

2.1 材料微结构计算机仿真

此种方法采用属于“数字材料”系列的计算机软件ProDesign从几何角度构造多元多项异质体材料的微结构。软件ProDesign以Voronoi算法为基础, 具有较强的对多晶体类材料与基于多晶体类的多晶体材料的微结构进行仿真的功能。

2.2 多晶体材料微结构模型的生成

结合C程序设计、Python脚本语言将ProDesign生成的微结构几何数据导入ABAQUS实现三维微结构模型生成和有限元网格划分及边界条件设置。这里生成一个含629个晶粒的模型 (如图1) , 边界条件为:三个面 (A:正背面, B:右侧面, C:下底面) 上施加固定其法相的位移 (如图2 a) , 固定另一端施加强制位移 (如图2b) 。如图1, 2所示。

3 软件AutoORI的设计开发

自主开发软件AutoORI对ABAQUS分析过程产生的INP文件进行后处理再分析。

3.1 ABAQUS分析产生的INP文件简介

INP文件 (扩展名为.inp) 是一种文本文件, 它包含了对整个模型的完整描述, 在前处理器和求解器之间建立一个数据传递的桥梁[7]。

事实上, 很多情况下, 使用INP文件不但可以更方便的修改模型参数, 控制分析过程, 还可以完成一些ABAQUS/CAE所不支持的功能。

生成方法:在ABAQUS/CAE中, 在Job模块中, 点击Job Manager对话框中的Write Input, 就会在默认的工作目录下生成INP文件。

3.2 设计开发软件AutoORI软件

通过上述力学响应计算生成我们需要的INP文件, 在INP文件中通过定义局部坐标系来定义材料的各向异性, 我们想要得到各种不同的晶体学取向下多晶体微结构的力学响应, 就可以通过修改INP文件中对应的局部坐标系来实现。因此这里针对INP文件开发AutoORI软件。

AutoORI软件核心模块基本思路:在INP文件中找到定义晶粒局部坐标的数据, 将其替换生成新的INP文件并提交分析。

AutoORI软件核心函数设计流程, 如图3所示。

注:ORI文件为预先定义的保存晶体学取向的数据文件, 这里的取向分布为随即分布。

在程序的开始出需要引入几个模块使程序能够在ABAQUS/CAE环境下运行: (1) ABAQUS总模块; (2) ABAQUS Job模块; (3) 显示对话框模块。