氟化物无机纳米粒子的制备及其稀土掺杂体系的光谱性质

对于纳米复合材料来说，首要解决的问题就是光散射。光散射现象主要是粒子尺寸以及粒子与基质材料折射率的差异引起的。对于小粒子（＜25nm），纳米粒子与基质材料之间的折射率差异不会造成明显的光散射现象，但对于较大粒子来说，为避免明显的光散射现象的发生，二者之间的折射必须吻合。由瑞利散射公式计算得知，当粒子直径大到100nm时，粒子与基质之间的折射率差值必须在0.02之内。因此，解决复合材料光散射问题有两种途径：尽量减小纳米粒子尺寸；选择折射率匹配良好的氟化物和聚合物分别作光学活性组分的基质和材料的基底材料。由于微乳液法合成纳米粒子条件温和、设备简单，所合成纳米粒子尺寸可控。本文首先研究了微乳液结构和性质，采用微乳液法合成氟化物纳米粒子，并研究了其稀土掺杂体系的光学性质。对于微乳液结构和性质的研究，本文绘制了十六烷基三甲基嗅化钱（CTAB）／正丁醇（n-C_4H_9OH）／正辛烷（n-C_8H_(18)）／水（或NH4F溶液、或Ba(NO_3)_2溶液、或KNO_3-Mg(NO_3)_2混合溶液）四组分微乳体系的三元相图，观察了电导率随水（或豁溶液）含量变化的规律，很好地印证了微乳液体系的相行为。实验发现，在这四个四元体系的相图中，Ba(NO_3)_2溶液体系的油包水区域面积最大，纯水体系水包油微乳区面积最小，我们分析认为水包油微乳区面积的变化是由于体系中加入离子后对表面活性剂阳离子的静电作用所引起的。采用十六烷基三甲基澳化按（CTAB）／正丁醇／正辛烷／水体系合成了KMgF_3以及KMgF_3:Eu~(2+)纳米粒子。XRD分析表明所合成纳米粒子为立方KMgF_3单相；环境扫描电子显微镜（ESEM）分析得到所合成KMgF_3:Eu~(2+)纳米粒子粒径约为20nm。KMgF_3:Eu~(2+)纳米粒子光谱研究发现其发射峰位于360nm附近，其激发峰位于250nm附近，较KMgF_3:Eu~(2+)单晶的激发峰峰蓝移了约80nm。对KMgF_3:Eu~(2+)纳米粒子激发峰蓝移的机理进行了初步探讨。采用CTAB/2-丁醇／水微乳体系合成出球形BaF_2纳米粒子，XRD和ICP数据显示样品为纯BaF_2相；FTIR谱图证明体系中没有有机物质的存在。将由纳米粒子分散到水中所形成的胶体滴到铜网上，干燥后发现所合成粒子有自组装的特性摘要且粒子自组装形状因粒子尺寸以及样品制备过程而异。粒子的自组装完全是自发的，没有任何的化学试剂对粒子进行包覆，也没对粒子施加除超声分散之外的任何外力。当将一滴胶体溶液直接滴到铜网上，干燥后我们得到粒子的圆形自组装，较大粒子分布在外围形成一个圆，较小粒子分布在圆的内部形成环；我们将一滴BaF_2纳米粒子胶体溶液滴加到铜网上，待干燥后滴加第二滴，重复此操作两次，这样铜网上共滴加的胶体溶液为3滴，此时我们得到粒子的双平行线型组装；直接滴加3滴BaF_2纳米粒子胶体溶液到铜网上，干燥后得粒子的桶状自组装。采用CTAB／正丁醇／正辛烷／水体系于35℃下合成带有枝晶的BaF_2纳米立方。这些枝晶生长在纳米立方的两个相邻面之间呈片状弧形。粉末XRD分析表明，体系为BaF_2单相且结晶良好；用扫描电子显微镜（SEM）对粒子进行分析发现，所得纳米立方边长为400-450nm；FTIR分析表明，经处理后样品中没有有机物质残存；对枝晶的能谱分析（EDS）分析表明，枝晶中只有Ba和F两种元素而未发现C元素存在。这说明，立方上所生长的枝晶为纯BaF_2产物而非有机物质所形成的。试验发现，所合成粒子的尺寸和形状依赖于反应温度和反应时间。采用士一述体系，于25℃下反应，可得到横截面边长40nm，长200nm的立方柱状纳米粒子，并且未见枝晶。从不同反应时间所合成粒子的形状上我们可以估计纳米立方以及枝晶的住：长过程。采用CTAB／正丁醇／正辛烷／水体系首次合成了BaF_2:Er纳米粒子，并研究了掺杂浓度对粒子红外发光的影响，XRD分析表明所合成BaF_2:Er纳米粒子为BaF_2立方相，物相纯净，结晶良好；TEM分析表明在掺杂浓度为6mol％时，粒子尺寸为15-20nm，士曾大粒子的掺杂浓度（8，10和12mol％）下，其尺寸和形状无明显改变，但粒子团聚现象严重。粒子在氢离子激光器488nm激发下的荧光（PL）光谱显示，随粒子掺杂浓度的增大，其发光强度增强，半峰宽加宽。研究了BoF_2:Er纳米粒子尺寸对其发光强度的影响，通过调节体系中水含量以达到控制粒子尺寸的目的。在体系中水含量。分别为5，8，15的条件「分别合成出平均粒径约为8，10和20.5nm的粒子。从粒子的激光粒度分布图中我们可得到粒子的平均尺寸。从粒子的XRD图中我们可以发现，随粒子粒径的减小，粉末的衍射峰出现偏移的情况。对于不同种纳米粒子，粒子粒径越小，衍射峰偏移越严重；对于相同的粒子，衍射角度越大，衍射峰偏移的越严重。从三种粒子的红峰的半峰宽和有效半峰宽越宽，对于8nm粒径的粒子，我们得到其最大半峰宽为145nm或有效半峰宽173nm。而且随粒子粒径的减小，其发射峰出现红移的现象。采用CTAB／正丁醇／正辛烷／水体系首次合成了CeF_3以及掺杂浓度为17，25，30，42和50mol％的CeF_3:Lu纳米粒子。XRD分析表明，所合成纳米粒子为CeF_3六角相，物相纯净，结晶良好，即使在高的掺杂浓度下（50mol％）体系中一也无其他杂质相的存在。环境扫描电子显微镜（ESEM-FEG）分析表明，所合成CeF_3纳米粒子粒径为巧一20nm，Lu的掺入对粒子的形状和尺寸影响不明显，但在较高的掺杂浓度下粒子团聚现象严重。粒子的荧光光谱表明，CeF_3以及Lu：CeF_3纳米粒子在254nm的激发波长下的发射光谱从290nm到400nm的宽带发射，发射峰位于325nm，较单晶体的发射峰红移约30nm；Lu的掺入有利于提高CeF_3纳米粒子的发光强度，随Lu掺入量的增大，粒子的发光强度出现先增后减的情况，在掺杂浓度为30mol％时，我们得到CeF_3纳米粒子的最大发射，但在50mol％的掺杂浓度下的粒子的发射强度仍要比未掺杂体系的发光强度要强。325nln监测粒子的激发光谱是从200nm到350nm的宽带吸收，激发峰峰位于260nm左右。比CeF_3单晶体的280nm激发峰蓝移了20nm左右。而且粒子的激发光谱中未见长波方向上的肩峰，说明粒子中CeF_3纳米粒子结晶良好，且体系中氧含量低。采用自创建一步原位聚合的方法合成了聚合物包覆的纳米粒子，并采用本体聚合的方法合成复合材料。综上所述，本文采用微乳液法合成了不同的氟化物纳米粒子，并研究了其稀土掺杂体系的光学特性，为聚合物基复合材料的制备以及应用奠定了可靠的实验基础。