陶瓷基体弥散纳米Ge光致发光材料的制备、结构与性能

论文摘要

近年来，纳米Ge镶嵌绝缘介质基体由于在光电子及量子器件等领域表现出优异的光学特性和广阔的应用前景，引起了人们的重视。然而，到目前为止，对于Ge纳米粒子镶嵌的绝缘介质基体研究主要集中在非晶SiO2基体，而在陶瓷基体中制备Ge纳米粒子的研究未见报道。事实上，陶瓷材料具有优异机械性能以及耐高温、抗氧化、耐磨损等优良特性，可以为弥散在其中的Ge纳米粒子提供稳定的环境和保障，有望拓展该类材料的应用前景。本文以硝酸铝、正硅酸乙酯（TEOS）和3-三氯锗丙酸为原料采用湿化学法结合热处理制备了A14+2xGe2-2xO10-x（0.25≤x≤0.40）陶瓷粉体和Al12(Si4-xGex)O26（0＜x≤1）固溶体陶瓷粉体，并利用TG-DSC、FT-IR、XRD等研究了其形成过程。采用还原技术对制备的Al6Ge2O13、Al12Si3.75Ge0.25O26粉体进行还原，还原产物在室温下观察到可见光区的光致发光现象。研究表明：发光强度依赖于还原工艺，Al-Ge-O体系和Al-Si-Ge-O体系中最佳还原工艺分别为550℃和500℃，时间均为3h；发光峰位并不随着体系或还原工艺的不同而发生明显变化，几乎都在564，611，681，730和774nm。未还原的Al6Ge2O13、Al12Si3.75Ge0.25O26粉体在相同条件下几乎均不发光。在两个体系发光最强的样品中，Ge粒子均以结晶程度较差的纳米团簇形式存在，平均尺寸分别为1.98nm和1.95nm。对上述两个体系中一次还原发光最强的样品在较低的温度下进行二次还原，利用PL、Raman、HRTEM等测试手段对二次还原样品的结构和性能进行了表征。相比于一次还原发光最强的样品，二次还原得到的样品发光强度显著增加，并在400℃还原时达到极大值。此时在Al-Ge-O体系和Al-Si-Ge-O体系中，Ge纳米粒子平均尺寸略有增大，分别为2.45nm和2.22nm。发光机理研究表明，发光是受量子限域效应、介电限域效应、声子限域效应、Ge粒子的形态等因素共同作用而产生。主要的发光过程为电子（或空穴）弛豫到表面态上，然后与体内的空穴（或电子）复合，发射光子。而平均尺寸约为2nm的Ge粒子正是发光的起源。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 2复合材料研究现状'>1.1 Ge纳米粒子镶嵌SiO₂复合材料研究现状
• 2复合材料制备技术'>1.1.1 Ge纳米镶嵌SiO₂复合材料制备技术
• 2复合材料光致发光性能的因素'>1.1.2 影响Ge纳米镶嵌SiO₂复合材料光致发光性能的因素
• 2复合材料发光机理的研究'>1.1.3 Ge纳米镶嵌SiO₂复合材料发光机理的研究
• 1.2 莫来石超细粉体制备技术研究进展
• 1.2.1 溶胶-凝胶法
• 1.2.2 共沉淀法
• 1.2.3 水解-沉淀法
• 1.2.4 水热晶化法
• 1.2.5 喷雾热解法
• 1.3 固溶体选择还原技术研究现状
• 1.4 本文研究的目的、意义及主要内容
• 1.4.1 本文研究的目的和意义
• 1.4.2 本文研究的主要内容
• 第2章 实验方案及方法
• 2.1 实验原料和仪器
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 实验设备
• 2.2 体系的选择
• 2.3 结构与性能表征
• 2.3.1 热重-示差扫描量热分析（TG-DSC）
• 2.3.2 红外吸收光谱（FTIR）
• 2.3.3 X射线衍射（XRD）
• 2.3.4 X射线光电子能谱（XPS）
• 2.3.5 Raman散射光谱及光致发光光谱（PL）
• 2.3.6 分析透射电子显微镜（TEM）
• 2.3.7 反射光谱
• 4+2xGe_2-2xO_10-x陶瓷粉体与Al₁₂(Si_4-xGe_x)O₂₆替位式固溶体的制备'>第3章 Al_4+2xGe_2-2xO_10-x陶瓷粉体与Al₁₂(Si_4-xGe_x)O₂₆替位式固溶体的制备
• 3.1 3-三氯锗丙酸乙醇溶液的制备
• 4+2xGe_2-2xO_10-x（0.25≤x≤0.40）陶瓷粉体的制备'>3.2 Al_4+2xGe_2-2xO_10-x（0.25≤x≤0.40）陶瓷粉体的制备
• 6Ge₂O₁₃（x=0.25）陶瓷粉体的制备'>3.2.1 Al₆Ge₂O₁₃（x=0.25）陶瓷粉体的制备
• 4+2xGe_2-2xO_10-x（0.25≤x≤0.40）陶瓷粉体的制备'>3.2.2 Al_4+2xGe_2-2xO_10-x（0.25≤x≤0.40）陶瓷粉体的制备
• 12(Si_4-xGe_x)O₂₆（03.3 Al₁₂(Si_4-xGe_x)O₂₆（0
• 12Si_3.75Ge_0.25O₂₆（x=0.25）替位式固溶体的制备'>3.3.1 Al₁₂Si_3.75Ge_0.25O₂₆（x=0.25）替位式固溶体的制备
• 12(Si_4-xGe_x)O₂₆（03.3.2 Al₁₂(Si_4-xGe_x)O₂₆（0
• 3.4 本章小结
• 第4章 陶瓷基体弥散纳米Ge粒子复合材料的制备、结构与性能
• 4.1 Ge弥散Al-Ge-O体系的制备、结构与性能
• 4.1.1 实验
• 4.1.2 不同温度还原的x射线衍射分析
• 4.1.3 不同温度还原的光致发光性能
• 4.1.4 550℃还原不同时间的光致发光性能
• 4.1.5 X射线光电子能谱分析
• 4.1.6 Raman散射光谱分析
• 4.1.7 反射光谱分析
• 4.1.8 还原后粉末的TEM分析
• 4.2 Ge弥散Al-Si-Ge-O体系的制备与光致发光性能研究
• 4.2.1 实验
• 4.2.2 不同温度还原的x射线衍射分析
• 4.2.3 不同温度还原的光致发光性能
• 4.2.4 500℃还原不同时间的光致发光性能
• 4.2.5 X射线光电子能谱分析
• 4.2.6 Raman散射光谱分析
• 4.2.7 还原后粉末的TEM分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 二次还原制各样品的结构、性能及发光机理的讨论
• 5.1 Al-Ge-O体系二次还原制备样品的结构与性能
• 5.1.1 实验
• 5.1.2 光致发光性能
• 5.1.3 Raman散射光谱分析
• 5.1.4 TEM分析
• 5.2 Al-Si-Ge-O体系二次还原制各样品的结构与性能
• 5.2.1 实验
• 5.2.2 光致发光性能
• 5.2.3 Raman散射光谱分析
• 5.2.4 TEM分析
• 5.3 发光机理的研究
• 5.3.1 半导体纳米锗颗粒的电子结构
• 5.3.2 发光机理探讨
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论
• 6.1 本文主要结论
• 6.2 下一步工作
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表论文、专利