硫化镧（La2S3）微晶的制备、结构及性能研究

论文摘要

由于稀土硫属化合物在超导器件、冷阴极器件、电流控制器件、光电器件、热释电器件等方面的潜在应用，稀土硫属化合物得到了广泛的研究。近几年为了高温应用，人们集中的研究新型半导体材料，包含稀土金属和其硫属化合物。硫化镧有三种晶型（α，β，γ-La2S3）。硫化镧存在于两种结晶变型：低温相（α）是正交相而高温相立方相（γ）可以在温度高于1000℃时制备。中间的四方相（β）实际上是硫氧化物(La10S14O1-xSx，0<x<1)，它是一部分的氧原子取代了硫原子，氧原子来稳定四方相。在结构上，每个镧原子和其周围的8个硫原子形成十二面体，相邻之间共面或共线。β-La2S3通常用来做荧光剂，γ-La2S3是一种潜在的新颜料。本文采用微波水热法制备了La2S3微晶，研究了工艺因素对制备La2S3微晶的影响，并尝试用声化学法及水热法制备La2S3微晶。以声化学法制备La2S3微晶时，研究了实验原料、不同前驱液pH值、不同反应温度、不同S/La物质的量比等工艺因素对样品物相组成的影响。采用X射线衍射仪（XRD）对样品的物相组成进行表征；采用扫描电子显微镜（SEM）观察样品的微观形貌。研究发现超声功率为500W，反应温度为70℃，S/La物质的量比为3/2，溶液的pH值为6.0时，可以得到XRD峰值较强的La2S3微晶；实验中很多反应条件的XRD分析能得到La2S3，但是总会出现La2O3的叠加峰，通过对样品的XPS分析得到样品主要为La2S3微晶，包含有少量的La2O3微晶。以微波水热法制备La2S3微晶时，研究了实验原料、不同前驱液pH值、不同S/La物质的量比、不同La3+离子浓度、不同反应温度、不同反应时间等对制备La2S3微晶的影响。采用X射线衍射仪（XRD）及X射线光电子能谱仪（XPS）对样品的物相组成、元素组分及元素存在价态进行表征；采用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）观察样品的微观形貌；采用紫外-可见-近红外光谱仪（UV-VIS-NIR）和光致发光光谱仪（PL）对样品的光学性能进行了表征。研究发现硫源及前驱液的pH值对于物相的影响很大，以氯化镧（LaCl3·7H2O）为镧源，以硫代硫酸钠（Na2S2O3·5H2O）为硫源时，当前驱液pH值为3.08.0时能得到β-La2S3微晶；当前驱液pH值为6.0、S/La物质的量比为6/3、La3+离子浓度为0.3mol/L、反应温度为140℃、反应时间为40min时，得到了结晶良好、粒径均一的La2S3微晶，此时的样品由纳米薄片自组装而成，有较好的紫外光吸收特性。通过控制工艺因素可实现样品由发射蓝色光到紫色光的转变。以水热法制备La2S3微晶时，研究了不同前驱液pH值、不同反应温度对样品物相组成的影响。采用X射线衍射仪（XRD）对样品的物相组成进行表征，表明以氯化镧（LaCl3·7H2O）为镧源，以硫代乙酰胺（CH3CSNH2）为硫源时得到了γ-La2S3微晶（立方相）。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 纳米材料概述
• 1.1.1 纳米材料
• 1.1.2 纳米材料四个基本物理效应
• 1.2 稀土材料概述
• 1.2.1 稀土材料及其应用
• 1.2.2 稀土离子的电子组态与光谱项
• 2S₃材料概述'>1.3 La₂S₃材料概述
• 1.4 几种制备纳米材料的湿化学方法
• 1.4.1 声化学法制备纳米材料
• 1.4.2 微波水热法制备纳米材料
• 1.4.3 水热法制备纳米材料
• 1.5 论文主要研究内容及创新点
• 2S₃微晶研究'>2 声化学法制备 La₂S₃微晶研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 实验仪器
• 2S₃微晶工艺过程'>2.2.3 制备 La₂S₃微晶工艺过程
• 2.3 测试表征手段
• 2.3.1 X 射线衍射分析
• 2.3.2 透射电子显微镜分析
• 2.3.3 扫描电子显微镜分析
• 2.3.4 X 射线光电子能谱分析
• 2.3.5 紫外-可见光吸收光谱分析
• 2.3.6 荧光光谱分析
• 2.4 结果分析与讨论
• 2.4.1 原料对样品晶相组成的影响
• 2.4.2 溶液 pH 值对样品晶相组成的影响
• 2.4.3 反应温度对样品晶相组成的影响
• 2.4.4 S/La 物质的量比对样品晶相组成的影响
• 2.4.5 样品的 XPS 分析
• 2.4.6 化学计量比时溶液 pH 值对样品晶相组成的影响
• 2.4.7 化学计量比时溶液 pH 值对样品 SEM 图的影响
• 2.5 本章小结
• 2S₃微晶研究'>3 微波水热法制备 La₂S₃微晶研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.2.1 实验原料
• 3.2.2 实验仪器
• 2S₃微晶工艺过程'>3.2.3 制备 La₂S₃微晶工艺过程
• 3.3 测试表征手段
• 3.4 结果分析与讨论
• 3.4.1 以硫化钠为硫源不同溶液 pH 值对样品晶相组成影响
• 3.4.2 以硫化铵为硫源不同溶液 pH 值对样品晶相组成影响
• 3.4.3 以硫代乙酰胺为硫源不同溶液 pH 值对样品晶相组成影响
• 3.4.4 以硫代硫酸钠为硫源 pH 值对对样品晶相组成影响
• 3.4.5 以硫代硫酸钠为硫源 S/La 物质的量比对样品晶相组成影响
• 3+离子浓度对样品晶相组成影响'>3.4.6 以硫代硫酸钠为硫源 La³⁺离子浓度对样品晶相组成影响
• 3.4.7 以硫代硫酸钠为硫源反应温度对样品晶相组成影响
• 3.4.8 以硫代硫酸钠为硫源反应时间对样品晶相组成影响
• 3.5 本章小结
• 2S₃微晶研究'>4 水热法制备 La₂S₃微晶研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 实验原料
• 4.2.2 实验仪器
• 2S₃微晶工艺过程'>4.2.3 制备 La₂S₃微晶工艺过程
• 4.3 测试表征手段
• 4.4 结果分析与讨论
• 4.4.1 不同制备方法所制备样品的物相组成分析
• 4.4.2 不同溶液 pH 值所制备样品的物相组成分析
• 4.4.3 不同反应温度所制备样品的物相组成分析
• 4.5 本章小结
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文及专利成果等目录