熔盐法合成BaWO4:Sm3+形貌调控与发光性能分析

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传统的白光LED中黄色荧光粉由于缺少红光成分,导致其白光色温高,显色指数低等缺点。钨酸钡由于其高稳定性、高单色性、高能量效率、长寿命、高量子产率等优点被认为是一种重要的发光材料,广泛用于闪烁设备、电池、光电微波陶瓷和全固态激光器等方面,具有极高的应用潜能。其特殊的白钨矿型四方晶系结构能为稀土掺杂提供良好的替位环境,因此也被认为是一种极具潜力的发光材料基体,可有效弥补白光LED中黄色荧光粉的缺陷。本文采用熔盐法合成BaWO4:Sm3+荧光粉,并通过X射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析系统(EDS)、紫外可见吸收光谱分析、拉曼光谱分析和荧光光谱分析(PL)等手段对所得样品进行表征。通过优化工艺参数实现晶体形貌控制。在LiNO3-NaNO3、LiNO3-KNO3、NaNO3-KNO3复合盐环境下合成的BaWO4粉体颗粒相比于LiNO3、NaNO3、KNO3单盐环境下合成的粉体颗粒,形貌更加规整、颗粒分散性更好,且不同复合盐体系在不同反应温度下对颗粒形貌的影响不同。研究表明:在LiNO3-KNO3复合盐环境下获得的颗粒尺寸在2.519.67μm之间,当温度达到310℃时获得形貌发育良好的八面体晶体颗粒,随着温度的进一步升高,形貌逐步演化为多面体。进一步研究发现保温时间12h,摩尔物料比为1:12下合成的样品粒径均匀,晶体颗粒形貌最规整。LiNO3-KNO3复合盐环境下在310℃和500℃分别合成八面体和多面体形貌的BaWO4:Sm3+荧光粉晶体,均为纯度较高的白钨矿四方相结构。多面体型荧光粉的发光强度比八面体型荧光粉发光强度提高230%,其色纯度仅为89.69%,与八面体荧光粉的色纯度92.99%相比较低,色温2358K相比八面体的3382K也较低。研究表明:八面体型颗粒荧光粉具有良好的发光性能,色纯度较高,色温在白光LED最佳色温区域内。八面体型颗粒的BaWO4:xSm3+(x=1,2,3,4,5,7和9 mol%)荧光粉的最佳掺杂浓度是3mol%。Sm3+离子发生偶极子-偶极子交互能量转移时的临界距离为18.52?;在近紫外光的激发下,最佳Sm3+离子掺杂浓度下的BaWO4:3%Sm3+荧光粉的色坐标为(0.4585,0.5133),色温为3382K,色纯度为93.0%,表明该荧光粉在白光LED用的黄光荧光粉中具有极大的潜力。结构精修得到BaWO4基质晶体和BaWO4:3%Sm3+荧光粉晶体的晶格参数,晶格参数分别为a=b=5.621?,c=12.703?,v=401.372?3和a=b=5.614?,c=12.719?,v=400.865?3。两种晶体均为白钨矿型四方晶系,通过软件VESTA构建出晶体结构图,得到两组晶体的四面体[WO4]基团和多面体[BaO8]基团的键长和键角,相对应的键长键角均有微小的变化,结果表明:稀土离子Sm3+掺杂使BaWO4晶体结构产生轻微的畸变。利用J-O理论分析掺杂浓度为3mol%的Sm3+离子在BaWO4晶体环境的不对称性,获得BaWO4:3%Sm3+荧光粉的跃迁强度参数Ω5),磁偶极跃迁几率AR(md),电偶极跃迁几率AR(ed),辐射跃迁寿命,荧光分支比5)等,得出BaWO4:3%Sm3+荧光粉发黄光可能是由于本实验所得样品的Sm3+离子4G5/26H5/2跃迁的荧光分支比较大造成的。
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