一種光致發光晶體材料硼酸鐠鉀及其制備方法和應用技術

本發明專利技術公開了一種光致發光晶體材料硼酸鐠鉀及其制備方法和應用，屬于稀土發光材料技術領域。本發明專利技術的技術方案要點為：一種光致發光晶體材料硼酸鐠鉀，其化學式為K3Pr3(BO3)4，屬于三斜晶系，空間群為P?1，單胞參數為a=9.0814?，b=10.8052?，c=14.0885?，α=69.800o，β=89.922o，γ=89.892o，Z=4，V=1297.4?3。采用高溫溶液法合成偏硼酸鐠鉀單晶，將充分研磨均勻的混合原料置于鉑坩堝中，放入箱式爐中加熱合成，在最高溫度恒溫，然后緩慢冷卻，降至室溫后制得該化合物的單晶體。該晶體材料可被445nm光激發并發射出紅色熒光，可用于熒光發光材料和器件，滿足電子工業、公共場所顯示和家用電器顯示等需求。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于稀土發光材料
，具體涉及一種光致發光晶體材料硼酸鐠鉀及其制備方法和應用。
技術介紹
在發光材料領域，稀土元素有著不可替代的重要作用。稀土離子由于獨特的電子層結構使得稀土發光材料具有其它發光材料所不具有的許多優異性能，可以說稀土發光材料的研究開發相對于傳統發光材料來說猶如一場革命。在長余輝發光材料領域，稀土長余輝發光材料的發光亮度是傳統發光材料的幾十倍，余輝時間高達幾千分鐘。稀土離子具有未充滿的4f電子殼層，因此具有豐富的電子能級和長壽命激發態，能級躍遷通道多達20余萬個，可以產生多種多樣的輻射吸收和發射。稀土原子或離子大約有三萬余條可觀察到的譜線，它們可以發射從紫外光、可見光到紅外光區的各種波長的電磁輻射。隨著稀土分離、提純及相關技術的進步，稀土發光材料的研究和應用得到了顯著的發展。稀土發光材料具有很多優異的特點，如光吸收能力強、發射波長分布區域寬和發射光譜帶窄等，同時由于稀土離子電子構型為4fn5s25p6（0≤n≤14），電子受到屏蔽，所以摻入基質晶格中時4f電子受到周圍環境的影響很弱。正是這些優異的特性，使稀土化合物成為探尋高新技術材料的主要研究對象，它為今后占主導地位的平板顯示、第四代新照明光源、現代醫療電子設備和更先進的光纖通信等高新技術的可持續發展和源頭創新提供可靠的依據和保證。稀土硼酸鹽發光材料的優點很多，例如燒結溫度低、合成工藝簡單、原料價格低廉、性能穩定、種類繁多、紫外投射率較高以及光學損傷闕較高，而且容易被各種電磁場、紫外光、熱解、電致以及X射線等諸多能量所激發，并通過硼酸根離子吸收傳遞給激活劑離子，提高其發光性能，是很有實用價值的發光材料。另一方面，我國擁有豐富的稀土資源，資源儲量約占世界己探明儲量的30%以上。但是目前我國稀土資源利用特點是，一方面出口原料和粗產品；另一方面卻在進口成品和精制品。我國在稀土深加工及稀土功能材料的開發和應用領域并不站在世界前列，開展稀土精細加工和稀土功能材料的研究具有重要的意義。因此，開發新型稀土硼酸鹽發光材料，不但可以為熒光粉領域提供實用新材料，更可以充分綜合利用我國稀土資源庫，將我國稀土資源優勢轉化為經濟和技術優勢。硼酸鐠鉀晶體化合物可能會成為具有優良發光性能的新材料，然而至今尚未見該種化合物的相關報道。
技術實現思路
本專利技術解決的技術問題是提供了一種光致發光晶體材料硼酸鐠鉀及其制備方法，該晶體材料硼酸鐠鉀不需要復雜的制備工藝和稀土離子的摻雜，其材料本體就含有稀土離子Pr3+，并可以在激發光下發射出Pr3+離子特征發射光譜，制備的硼酸鐠鉀材料能夠較好地應用于熒光發光材料或電子器件中。本專利技術為解決上述技術問題采用如下技術方案，一種光致發光晶體材料硼酸鐠鉀，其特征在于：該晶體材料硼酸鐠鉀的化學式為K3Pr3(BO3)4，屬于三斜晶系空間群P-1，單胞參數為a=9.0814?，b=10.8052?，c=14.0885?，α=69.800o，β=89.922o，γ=89.892o，Z=4，V=1297.4?3。本專利技術所述的光致發光晶體材料硼酸鐠鉀的制備方法，其特征在于具體步驟為：采用高溫溶鹽法，以過量的K2O-B2O3體系為助熔劑，將原料K2CO3、Pr6O11和H3BO3混合并充分碾磨均勻，裝入鉑金坩堝中壓實后置于馬弗爐中，先將反應物于1050℃充分熔融靜置50h，再急冷降溫至900℃恒溫50h，然后以2℃/h的降溫速率降溫至750℃，最后急冷降溫至室溫制得無色透明的長條形硼酸鐠鉀單晶體。進一步優選，所述的K2CO3、Pr6O11和H3BO3的投料摩爾比為40:1:60。本專利技術所述的光致發光晶體材料硼酸鐠鉀在熒光發光材料或電子器件中的應用。熒光光譜測試表明，本專利技術制得的化合物硼酸鐠鉀K3Pr3(BO3)4可發射紅色熒光，可用作發光材料領域，并且合成發光材料的合成方法簡單，原料廉價易得，產物無毒無污染。附圖說明圖1是本專利技術制得的K3Pr3(BO3)4晶體材料的空間結構圖；圖2是本專利技術制得的K3Pr3(BO3)4晶體材料的粉末衍射和單晶數據模擬的對比圖；圖3是本專利技術制得的K3Pr3(BO3)4晶體材料的激發熒光譜圖；圖4是本專利技術制得的K3Pr3(BO3)4晶體材料的發射熒光譜圖；圖5是本專利技術制得的K3Pr3(BO3)4晶體材料的發光色度圖。具體實施方式以下通過實施例對本專利技術的上述內容做進一步詳細說明，但不應該將此理解為本專利技術上述主題的范圍僅限于以下的實施例，凡基于本專利技術上述內容實現的技術均屬于本專利技術的范圍。實施例按反應式：6K2CO3+2Pr6O11+16H3BO3→4K3Pr3(BO3)4+9H2O+6CO2采用高溫熔鹽反應合成化合物。硼酸鐠鉀K3Pr3(BO3)4晶體材料的制備：本專利技術生長晶體的方法稱為高溫溶鹽法，又稱為助熔劑法，這種方法是將晶體成分在高溫下溶解于低于其熔點的助熔劑中，形成均勻飽和溶液，之后通過緩慢降溫或其它方法形成過飽和溶液使晶體析出。本實驗采用晶體成分以外的部分K2O-B2O3體系，由于熔點較低相當于作了自助熔劑，這樣原料既是目標晶體又作助熔劑，有很大的靈活性，同時避免了進入其它雜質。具體操作步驟如下：將原料K2CO3、Pr6O11和H3BO3按照摩爾比為40:1:60的比例在電子天平上準確稱取，由于碳酸的熔化會釋放出CO2氣體，H3BO3的分解會放出水蒸氣，所以先將原料放入瑪瑙研缽中混合均勻，然后裝入鉑金坩鍋中，置于1050℃的加熱爐內至使其充分分解并完全熔化，待氣體全部逸出后取出，緩慢搖擺將溶液冷卻凝固于坩堝內壁，加蓋后再置于加熱爐內恒溫50h，再迅速降溫至900℃恒溫50h，之后以2℃/h的降溫速率緩慢降溫至750℃，當降溫完成后直接關閉電源，使溫度迅速降到室溫，避免其它新相生成或發生相變。待坩鍋冷卻至室溫后，將其在水中浸泡，洗去助熔劑，烘干后即得到無色透明的晶體，其物理化學性質穩定，不潮解，不風化，不易分解。單晶結構分析：在光學顯微鏡下挑選一顆透明完好的小晶體粘在玻璃絲上，于室溫下在布魯克面探測器衍射儀（鉬靶λ=0.71073?）上尋峰、指標化，以確定晶胞參數和取向矩陣。原始數據以ω掃描方式收集完成后，經過數據還原、吸收校正之后，就可以獲得衍射指標、衍射強度以及背景強度等數據。在得到晶胞參數和衍射強度數據后，選擇正確的空間群，用直接法得到重原子的位置，其余原子位置通過差值傅立葉合成來確定，然后對全部原子坐標及原子位移參數等進行基于F2的全矩陣最小二乘法精修至收斂。以上結構解析和精修均使用Shelx-2014程序完成。最后，通過Platon程序對其空間群進行檢查并在網站上對其結構進行檢查，無晶體學錯誤。單晶結構擬合出的粉末衍射圖與試驗得到的粉末衍射圖進行對比（見附圖2），驗證結構解析的正確性。單晶結構測定的參數如下表所示：將所得產物用FLS920熒光光譜儀進行分析，在657nm發射光監控下測試其激發熒光，觀察到在445nm、474nm、487nm左右位置出現激發熒光峰（見附圖3），分別對應Pr3+離子3H4→3P2、3H4→1I6、3H4→3P0電子躍遷。晶體材料K3Pr3(BO3)4的發射熒光譜如附圖4所示，在445nm波長光的激發下，晶體材料發出Pr3+離子的五個特征熒光峰，分別在613n本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種光致發光晶體材料硼酸鐠鉀，其特征在于：該晶體材料硼酸鐠鉀的化學式為K3Pr3(BO3)4，屬于三斜晶系空間群P?1，單胞參數為a=9.0814?，b=10.8052?，c=14.0885?，α=69.800o，β=89.922o，γ=89.892o，Z=4，V=1297.4?3。

【技術特征摘要】
1.一種光致發光晶體材料硼酸鐠鉀，其特征在于：該晶體材料硼酸鐠鉀的化學式為K3Pr3(BO3)4，屬于三斜晶系空間群P-1，單胞參數為a=9.0814?，b=10.8052?，c=14.0885?，α=69.800o，β=89.922o，γ=89.892o，Z=4，V=1297.4?3。2.一種權利要求1所述的光致發光晶體材料硼酸鐠鉀的制備方法，其特征在于具體步驟為：采用高溫溶鹽法，以過量的K2O-B2O3體系為助熔劑，將原料K2CO3、Pr6O11和...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張利偉，趙丹，王勤，喬文濤，馬法學，聶聰奎，張榮花，
申請(專利權)人：河南理工大學，
類型：發明
國別省市：河南;41