稀土铕掺杂氧化铝薄膜和农用转光材料及其制备方法与流程

本发明涉及农用转光膜，尤其涉及用溶胶凝胶法制备的稀土铕掺杂氧化铝薄膜和农用转光材料及其制备方法。

背景技术：

随着社会知识化、科技信息化和经济全球化的不断推进，可持续发展战略显得尤为重要。然而目前面临的资源匮乏和环境污染两大难题，这使得如何利用现有绿色环保资源具有深远意义。太阳光是植物进行光合作用的能量来源，然而植物对太阳光能的需求，最重要的就是光质，不仅影响植物的光合效率，还可以调控农作物各个组织的营养成分。太阳光中的红橙光(600～700nm)和蓝紫光(400～480nm)对植物的光合作用尤为重要，而紫外光(200～400nm)则易于促进枝干老化和病菌繁殖，其余一部分则主要转换为提高温度的热能，对植物的生长有不良的影响。叶绿体是植物进行光合作用的场所，叶绿体中光化学反应的关键物质是叶绿素，在绿色植物中有很多光合色素，如叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素等，虽然它们吸收光的能力很强，但实际上植物进行光合作用主要是由叶绿素完成的，其他色素吸收的光能只能传递给叶绿素后才能引起光化学反应，叶绿素最重要的性质是能选择性地吸收光，它具有特殊的吸收光谱。叶绿素a和叶绿素b的吸收光谱较为相似，各有2个吸收带，分别为蓝带和红带，其最强的吸收带分别位于400～480nm的蓝紫光区和600～700nm的红橙光区，400nm以下的紫外光和500～580nm的绿光基本不被其吸收而被反射。

在垂直入射到地面的阳光中，由于大气层的影响，对农作物生长有益的蓝光区和红光区辐射强度减弱，所以人工模拟植物最佳生长光照环境改善农作物的光照条件，使之处于最佳生长状态，对发展高科技农业具有重要意义，农用转光膜因此应运而生。转光膜是一种通过添加转光剂来实现光转换的薄膜，它能将紫外光转换成对作物有用的蓝紫光及红橙光，或将黄绿光转换成红橙光，从而改变透过膜的光质，促进植物对氮、磷、钾、锌等营养元素的吸收，提高植株的叶片面积和展开度，增加植物的株高和叶柄长度，由此增加叶片叶绿素的含量，使叶片中的光合作用产物含量升高，促进作物生长。

氧化铝薄膜具有优良的物理化学性能，如机械强度和硬度高、热稳定性好、宽禁带、光透过率高、绝缘性极佳等，在光学、机械及微电子等许多领域有着广泛的应用前景，而且是一种很好的基体材料。稀土离子在不同基质中的发光性质已广泛研究多年，掺杂后基质材料的结构、光学性能都有所改善，拓宽了材料的应用领域。如何将不利于植农作物生长的紫外光转化为蓝紫光和红橙光，已经成为农用转光膜研究的热点。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种可将紫外光转化为植物所需要的红橙光的稀土铕掺杂氧化铝薄膜和农用转光材料及其制备方法。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：

一种稀土铕掺杂氧化铝薄膜，所述稀土铕掺杂氧化铝薄膜中氧化铝的摩尔百分含量为99.99～99.90mol％，铕离子的摩尔百分含量为0.01％～0.10％。

上述方案中，在激发波长为200～400nm时，所述稀土铕掺杂氧化铝薄膜在610～620nm处出现明显特征辐射。

一种农用转光材料，所述农用转光材料包括基体材料及设置于所述基体材料表面的稀土铕掺杂氧化铝薄膜。

所述的农用转光材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、制备勃姆石溶胶：将异丙醇铝加入水中充分搅拌，水解，然后加入硝酸，得到勃姆石溶胶；

步骤二、制备稀土铕掺杂的勃姆石溶胶：将硝酸铕水溶液加入到勃姆石溶胶，在85℃～95℃回流装置中，充分搅拌12～18h，得到稀土铕掺杂的勃姆石溶胶；

步骤三、制备稀土铕掺杂的氧化铝薄膜：采用提拉法，将基体材料浸入到稀土铕掺杂的勃姆石溶胶中15～40s后提起，经过热处理后自然冷却至室温，即得到所述农用转光材料。

上述方案中，步骤一制备勃姆石溶胶的具体步骤为：将异丙醇铝研磨成粉末，按照异丙醇铝与去离子水的摩尔比为1：100～1:200称取样品，将异丙醇铝分批加入到75℃～95℃去离子水中，充分水解，反应时间为1.5h～2.5h，然后蒸发掉溶液中多余的异丙醇，冷却后，按照酸与异丙醇铝的摩尔比1:10～3:10加入酸，脱溶，在85℃～95℃回流装置中，充分搅拌12～16h，得到澄清、均一的勃姆石溶胶。

上述方案中，步骤三热处理的具体步骤为：待基体材料表面溶液蒸发时，将基体材料放入鼓风干燥箱中，处理8～15分钟，最后放入马弗炉中，升温至450℃～500℃，处理1.5h～3.5h，自然冷却至室温。

上述方案中，步骤二中硝酸铕水溶液的浓度为0.001～0.010mol/L。

上述方案中，所述基体材料是玻璃片或光纤。

上述方案中，步骤三中提拉速度为4000～6000μm/s。

上述方案中，步骤三马弗炉中以3～10℃/min的升温速率升温至450～500℃。

与现有技术相比，本发明取得的技术效果是：本发明使用是异丙醇铝作为前驱体，用溶胶凝胶法制备稀土掺杂氧化铝薄膜，制备工艺简单，热处理温度低，该光转化农用膜可以将200～400nm的紫外光转化为植物所需要的红橙光，在大棚农作物生产方面有着广阔的应用前景。

附图说明

图1为溶胶膜煅烧到450℃的XRD谱图

图2为热处理后的溶胶膜的荧光光谱图

图3为煅烧后的氧化铝膜扫描电镜照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述，当然下述实施例不应理解为对本发明的限制。

本发明提供一种稀土铕掺杂氧化铝薄膜，所述稀土铕掺杂氧化铝薄膜中氧化铝的摩尔百分含量为99.99～99.90mol％，铕离子的摩尔百分含量为0.01％～0.10％。在激发波长为200～400nm时，所述稀土铕掺杂氧化铝薄膜在610～620nm处出现明显特征辐射。

本发明还提供一种农用转光材料，所述农用转光材料包括基体材料及设置于基体材料表面的稀土铕掺杂氧化铝薄膜。基体材料是玻璃片或光纤。

本发明进一步提供该农用转光材料的制备方法，具体按照以下步骤进行：

步骤一、制备勃姆石溶胶，将异丙醇铝研磨成粉末，按照异丙醇铝与去离子水的摩尔比为1：100～1:200称取样品，将异丙醇铝分批加入到75℃～95℃去离子水中，反应时间为1.5h～2.5h，然后蒸发掉溶液中多余的异丙醇，冷却后，按照酸与异丙醇铝的摩尔比1：10～3：10加入酸，脱溶，在85℃～95℃回流装置中，充分搅拌12～16h，得到澄清、均一的勃姆石溶胶；

步骤二、制备稀土铕掺杂的勃姆石溶胶，将硝酸铕水溶液加入到勃姆石溶胶中，掺杂的铕离子在氧化铝溶胶中摩尔含量为0.01％～0.1％，在85℃～95℃回流装置中，充分搅拌12～18h，得到稀土铕掺杂的勃姆石溶胶；

步骤三、制备稀土铕掺杂的氧化铝薄膜，采用提拉法，将基体材料浸入到溶胶中，以4000μm/s～6000μm/s提拉速度提拉出来，待基体材料表面溶液蒸发时，将基体材料放入鼓风干燥箱中，处理8～15min，最后放入马弗炉中，以3～10℃/min升温至450℃～500℃，处理1.5h～3.5h，自然冷却至室温。

实施例1

取148.5mL的去离子水在烧瓶中加热至90℃，然后将异丙醇铝研磨成粗细均匀的粉末，称取15.318g异丙醇铝，分批缓缓加入在盛有去离子水的烧瓶中，在回流装置中，让其充分水解2h后，去掉回流装置，继续加热1h，蒸发掉溶液中多余的异丙醇，待其冷却至室温后，加入浓度为1mol/L的硝酸22.5mL脱溶，得到澄清、均一的勃姆石溶胶；量取浓度为0.0025mol/L硝酸铕溶液15mL加入到勃姆石溶胶中，在95℃的回流装置中，充分搅拌16h，得到稀土铕掺杂的勃姆石溶胶；将光纤上需要镀膜的区段范围内的光纤包层剥掉，以5000μm/s的提拉速度提拉，开始镀膜，最后将镀好溶胶膜的光纤层在马弗炉中以5℃/min升温到450℃热处理。图1为溶胶膜的XRD图谱，从中可以看出，薄膜中的主要成分为γ相氧化铝。

实施例2

取148.5mL的去离子水在烧瓶中加热至90℃，然后将异丙醇铝研磨成粗细均匀的粉末，称取16.850g异丙醇铝，分批缓缓加入在盛有去离子水的烧瓶中，在回流装置中，让其充分水解2h后，去掉回流装置，继续加热1h，蒸发掉溶液中多余的异丙醇，待其冷却至室温后，加入浓度为1mol/L的硝酸16.5mL脱溶，得到澄清、均一的勃姆石溶胶；量取浓度为0.001mol/L硝酸铕溶液24.75mL加入到勃姆石溶胶中，在95℃的回流装置中，充分搅拌16h，得到稀土铕掺杂的勃姆石溶胶；将玻璃基片依次在盐酸、丙酮、酒精中超声清洗，然后用氮气吹干，以4000μm/s的提拉速度提拉，开始镀膜，最后将镀好膜的玻璃基片在马弗炉中以10℃/min升温至450℃热处理。

实施例3

取148.5mL的去离子水在烧瓶中加热至90℃，然后将异丙醇铝研磨成粗细均匀的粉末，称取8.425g异丙醇铝，分批缓缓加入在盛有去离子水的烧瓶中，在回流装置中，让其充分水解，大约2h后，去掉回流装置，继续加热1h，蒸发掉溶液中多余的异丙醇，待其冷却至室温后，加入浓度为1mol/L的硝酸12.4mL脱溶，得到澄清、均一的勃姆石溶胶；量取浓度为0.001mol/L硝酸铕溶液10.3mL加入勃姆石溶胶中，在95℃的回流装置中，充分搅拌16h，得到稀土铕掺杂的勃姆石溶胶；将玻璃基片依次在盐酸、丙酮、酒精中超声清洗，然后用氮气吹干，以6000μm/s提拉速度提拉，开始镀膜，最后将镀好溶胶膜玻璃基片在马弗炉中以3℃/min升温至450℃热处理。从图2中可以看出，当激发波长为394nm时，所制备的稀土铕掺杂氧化铝薄膜在614nm处出现明显的特征辐射。

实施例4

取148.5mL的去离子水在烧瓶中加热至85～90℃，然后将异丙醇铝研磨成粗细均匀的粉末，称取15.318g异丙醇铝，分批缓缓加入在盛有去离子水的烧瓶中，在回流装置中，让其充分水解2h后，去掉回流装置，继续加热1h，蒸发掉溶液中多余的异丙醇，待其冷却至室温后，加入浓度为1mol/L的硝酸7.5mL脱溶，得到澄清、均一的勃姆石溶胶；取浓度为0.0025mol/L硝酸铕溶液7.5mL加入到勃姆石溶胶中，在95℃的回流装置中，充分搅拌16h，得到稀土铕掺杂的勃姆石溶胶；将玻璃基片依次在盐酸、丙酮、酒精中超声清洗，然后用氮气吹干，以5000μm/s的提拉速度提拉，开始镀膜，最后将镀好溶胶膜的玻璃基片在马弗炉中以5℃/min升温至500℃热处理。图3为溶胶膜的SEM图谱。从图中可以看出，所制备的溶胶膜表面形貌比较均匀。

需要说明的是，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。