今晚9 - 10点开始直播吧~~

差不多该开始了

首先吐槽一下，我们做的东西既是化学也算物理，既有合成，也涉及无机晶体学（无机化学），又有光学表征研究（物理），本来交叉学科不错的，不过也有两面都做不精的问题…
背景，也算是引入吧：
无机稀土荧光粉目前已经商业化，现在备受关注的是电视机用的和LED粉
使用得最多的是典型的YAG掺杂三价铈（Y5Al3O12：Ce3+）
目前常见的有无机酸盐（硼酸、铝酸、硅酸、磷酸、钨酸、钼酸盐等…）/氮化物/硫化物/氧化物等
国内课题组做的大多是无机酸盐，因为无机酸盐容易合成，廉价，适合屌丝课题组。高端的氮化物什么的大多是日韩台湾在做，当然还有中科院
但是无论那种荧光粉，都必须使用稀土元素（IIIB族，尤其是镧系元素，也有人叫f族元素）因为要“发光”就是靠这些稀土元素的能级跃迁了
于是这次我打算讲无机酸盐荧光粉的合成，我们课题组就是做这个的，有些东西太高端没钱玩
再啰嗦一下，稍微介绍一下照明用LED和我们常用的照明手段吧：
白炽灯（灯泡）：这个太传统，光是看着就大概知道这东西是什么机理发光的了，忽略
荧光灯：通电后灯管内汞蒸气被击穿，然后发射出多种紫外波长，紫外光打在荧光粉上（荧光粉涂在管壁），荧光粉吸收紫外光的能量，然后转化为可见光，于是就亮了
LED灯：可以分两类：1.半导体发射出蓝光，蓝光被荧光粉部分吸收，部分转化为黄光，黄光+剩余的蓝光=白光。这是基于三基色混色原理：黄=绿+红，于是黄+蓝=绿+红+蓝=白。2.半导体发出近紫外光，荧光粉吸收近紫外光发出三基色形成白光，这种需要三种荧光粉一起使用。
有什么问题可以就问，不过不保证能够及时回复啊...

正文：
注意：
正文中，每部分描述后面都会附有一小段说明，起到辅助理解的作用
首先是合成：
目标产物：Ca8MgY(PO4)7:Eu2+,Mn2+
说明1：Y =钇，Eu=铕。都是稀土氧化物
说明2: 可能有人问冒号后面写个离子是神马意思，我解释一下，这是掺杂。所谓掺杂，就是部分地置换了，例如Sr2SiO4:1%Eu2+，就是相当于[Sr1.98Eu0.02SiO4]，有1%的Sr2+被Eu2+置换了，于是形成的固体物质就是[Sr1.98Eu0.02SiO4]，其中可以认为铕离子均匀地分散在晶体之中.
另外，我合成的产物，Eu2+和Mn2+都认为是替代了Ca2+，因为离子半径比较接近。当然Mn2+究竟是替代Ca2+还是Mg2+这个确实值得商榷。
说明3：这是个在无机酸盐里面是磷酸盐

合成方法与条件：
原料：CaCO3, MgO, Y2O3(稀土), (NH4)2HPO4, Eu2O3(稀土), MnCO3
说明：全部分析纯，其中稀土是99.99%
条件：按照化学计量比，把以上固体按比例称量（做多少根据个人喜好，比例对就行）均匀混合，研磨（使用研钵）；研磨后产物全部放入管式炉中灼烧
反应条件：1300℃，保温3小时，通入气体：H2/N2=10/90（通过压强控制）
说明：别在家里玩，家里真的做不到，稀土有点贵。炉子是上万的东西，而且功率很大家庭电路不行。通H2是把Eu2O3还原为Eu2+的价态，氮气是保护气，光烧氢气有点作死。氮气用氮气瓶，氢气用氢气发生器制取

设备神马的反正都不是秘密，做这个东西的课题组差不多都有了
氢气发生器电解水...水也有要求，不能自来水，要不然机器会坏掉的，用去离子水

好的，继续~~
由于合成产物很多（为获得最佳配比得调比例，于是做一大批样品）一下只拿比较有代表性的来讲
Ca8MgY(PO4)7:1.5%Eu2+，其实就是Ca7.88Eu0.12MgY(PO4)7
说明: 怎么确定产物就是这个化学式？这个要做X射线粉末衍射确定物相，由于这东西有点复杂而且比较枯燥，就不详细介绍了。只要衍射纹样和标准图谱的衍射峰能一一对上就OK。
补充一点，当时设定合成温度就是要合成Ca8MgY(PO4)7并且衍射纹样要跟标准图对上，经过多次尝试不同温度，发现1300℃能合成且发光效果比较好，于是就定了
再补充一点：这是粉末多晶，不是分子。可以当做一个晶体被暴力打碎成微小的粉末。
表征：由于激发发射光谱比较枯燥，于是我直接上图了。
全部图都是在紫外灯照的条件下拍的

合成完的固体需要研碎，于是整个研钵扔上紫外灯下照了

研碎前

装进袋子里面了，这是有光和无光参照物的对比，无光粉末真是一片漆黑...

X射线粉末衍射对比...La那个可以忽略，不是这里要说的重点
黑色是标准图谱，峰都对上就对了

有问题就问~
补上反应式吧？
CaCO3+MgO+Y2O3+(NH4)2HPO4 = Ca8MgY(PO4)7+CO2+NH3+H2O,不配平了
机理：
发光靠的是Eu2+，Ca8MgY(PO4)7这个晶体作为Eu2+的支架，也影响Eu2+发光性质的作用。没有晶体作为支架的Eu2+自由离子理论只能吸收紫外光&发射紫外光（34000cm-1，294 nm紫外光）
说明1：Eu2+为何发光，如何发光？我尽量简单陈述。Eu2+激发是f-d跃迁，发射是d-f跃迁。所谓f-d跃迁，就是Eu2+被紫外光打中时，Eu2+内部的f层电子被激发到d层了（于是Eu2+的f层基态：4f7半充满，激发态4f65d1），当然激发态是不稳定的，所以d层的电子回迁到f层，d-f跃迁了，然后放出一定波长的可见光，完成了这个发光过程
说明2：吸收的是较高能的紫外，发射较低能的可见光，损失能量去哪了，怎么回事？这部分差值一般叫做斯托克斯位移，这部分转化为晶格振动去了，也就是声子发射（热）。

由于最终目的是做白光，也就是使用一种荧光粉就能把单一波长的紫外光转化为白光，于是掺杂了Mn2+，也就是Ca8MgY(PO4)7:Eu2+,Mn2+
为了调出白光，锁定了Eu2+为1.5%，Mn2+为变量
机理：从刚才照片看出，荧光粉是吸收紫外激发发出青色光的(cyan)，这种颜色也有人管它叫做蓝绿色，其实就相当于蓝+绿，也就是加入红光就能做成白光了。
Mn2+在单独掺杂时，无论什么浓度，都很难被激发的，例如Ca8MgY(PO4)7: Mn2+根本无法用肉眼观察到发光
但是Mn2+如果引入到晶体中，与Eu2+离子距离短于一定距离时（数量级为埃，1埃=0.1nm），就能吸收Eu2+的能量，Mn2+能轻易进入激发态，发出荧光。例如在Ca8MgY(PO4)7中，发射红光
说明1：Mn2+难以发光的原因：大学无机化学讲过Mn2+颜色很浅是由于半充满高自旋什么的，跃迁概率低，这里跟过去的知识点不一样。在这里近紫外激发下，Mn2+是能够进行d-d跃迁的。不过，d-d跃迁是宇称禁戒的跃迁，因为d与d是宇称相同的，所以属于禁戒，禁戒不等于不可能，反映到现实就是低概率，所以在很多晶体中，Mn2+接受近紫外激发后，发出的光线无法目测，太弱了。（同时禁戒的跃迁还有f-f等）
说明2：通过能量传递，可让Mn2+被激发，例如用Eu2+。使用宇称允许跃迁的离子（f-d、d-f）Eu2+可以把吸收到的能量传给Mn2+。当然，随着Mn2+的投入量增大，Mn2+的发射变强，会伴随着Eu2+的发射减弱

随着Mn2+的投入量增大，颜色逐渐变成白色，最后两个是微红的，不过照相机照不出来

...给同学送样品去
15分钟后回来不太监

白色荧光粉研碎后效果，亮度还行，量子效率50%
化学式：Ca8MgY(PO4)7:1.5%Eu2+,15%Mn2+，即Ca7.88Eu0.12Mg0.85Mn0.15Y(PO4)7
其中Mn2+被认为是取代Mg2+

固定Eu2+浓度，改变Mn百分比做出来的光谱线
400~600的峰值属于Eu2+，600~800的属于Mn2+
可以看见随着Mn2+的浓度增大，Eu2+的发射强度减弱，Mn2+的现先加后减弱
说明：Mn2+先增后减原因：掺杂离子总有个最佳浓度，超过那个浓度就会发生浓度猝灭了
浓度猝灭普遍被认为是离子之间能量传递使得能量传到猝灭中心（晶格缺陷）使能量变成声子发射（热）

完毕，各位有问题随便问~
补充：
Ca8MgY(PO4)7：Eu2+，Mn2+是我在今年1.1的时候开始做的，完工时间是2.28
还记得情人节2.14我还在做荧光测试那一个苦逼（还是年初几），不过无论做不做实验都一样，情人节要么干活要么蹲在宿舍打游戏
途中一些事情拖了我很久，弄到5月份才拿去发表
好吧，现在有些事情感觉差不多要如愿了，我算是有点时间晒一下我的产物了
下期预告：
高效率红色荧光粉（还有人看吗？）
预定个日期吧：2013.10.2