稀土离子掺杂硼/磷酸盐发光材料的制备及性能研究

来源 :中南林业科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:HZ8081
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稀土发光材料作为新一代的发光材料,广泛应用于显示照明、生物医疗、光电转换、环境催化等领域,是目前发光领域的重点研究对象。稀土发光材料的性能不仅与掺杂离子的种类、含量和价态有关,很大程度上也取决于基质材料提供的晶体环境以及离子间的能量传递。因此,探索新型高效的稀土发光材料需要不断尝试新型基质材料与各种稀土离子的耦合设计。本研究以磷酸盐Ca9La(PO4)7和硼磷酸盐KBaBP2O8两种发光材料基质为研究对象,设计并合成了 Ce3+、Tb3+和Mn2+掺杂的Ca9La(PO4)7以及Ce3+和Tb3+掺杂的KBaBP2O8荧光粉材料。通过一系列表征及分析手段,对荧光粉样品的结晶相、微观形貌、发光特性、光色调控、实用性以及发光机制等进行了深入研究。主要研究内容和实验结果如下:通过X射线粉末衍射测定了 Ce3+和Tb3+单掺杂的Ca9La(PO4)7荧光粉样品的晶体结构,均为单一纯相,进而借助Rietveld方法对其晶体结构进行了深入解析,发现空间群属于三方晶系R3c(161),为菱形六面体结构。在UV激发下,Ca9La(PO4)7:Ce3+和Ca9La(PO4)7:Tb3+分别呈现出由Ce3+和Tb3+的特征跃迁主导的蓝紫光和绿光发射,分别研究了其浓度依赖性发光特征,得出CLPO:xCe3+的浓度猝灭点为0.30,猝灭机制为d-d的电多级相互作用。基于PL光谱和荧光衰减曲线证实了在Ce3+、Tb3+和Ce3+、Mn2+双掺的Ca9La(PO4)7荧光粉中分别存在从Ce3+到Tb3+和从Ce3+到Mn2+的有效能量传递,相应能量传递效率分别为41.8%和54.1%,其能量传递机理分别为偶极-偶极和偶极-四极的电多级相互作用。基于能量传递过程,通过调节Ce3+、Tb3+和Mn2+离子的掺杂量,可实现荧光粉在蓝紫色-绿色-红色且跨越白光的宽色域范围内的多色发射,其中Ca9La(PO4)7:0.15Ce3+,0.10Tb3+,0.04Mn2+可实现单组分白光发射,色坐标为(0.3245,0.3327),色温为5878K,150℃时热稳定性仍保持室温的98.5%,内部和外部量子效率分别达到84.51%和69.32%。研究结果表明,该荧光粉在白光LED和固态照明领域中有潜在的应用价值。通过高温固相法成功制备了一系列Ce3+和Tb3+掺杂的以KBaBP2O8为基质的荧光粉材料,物相分析结果显示均为单一纯相。KBaBP2O8晶体结构的空间群属于四方晶系I42d,拥有类金刚石拓扑的三维结构,且K+|Ba2+为无序共占位。通过分析KBaBP2O8:Ce3+的UV发光特性,发现KBaBP2O8基质对Ce3+有较强的晶体场效应,且KBaBP2O8的晶体结构中只存在一个Ba2+位置,其发射光谱的浓度猝灭是由偶极-偶极的电多级相互作用所引起。在Ce3+、Tb3+双掺的KBaBP2O8荧光粉中,存在有效的Ce3+和Tb3+之间的能量传递现象,且通过改变Tb3+的掺杂量,可以实现较大范围的光色调控。其中,绿色发射的KBaBP2O8:0.01Ce3+,0.06Tb3+荧光粉因基质晶格缺陷会导致异常热猝灭现象,在150℃时发射强度达到室温发射强度的116.2%,结果表明该荧光粉在高功率LED器件方面有一定的应用价值。
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