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近年来铝酸盐发光材料的应用越来越广泛,与传统硫化物发光材料相比,其具有亮度高,化学稳定性好等优点。但是传统铝酸盐发光材料的制备成本较高且发光颜色单一。为降低成本和扩展应用范围,本论文工作选用新型宽禁带12CaO·7A12O3(C12A7)铝酸盐作为发光基质材料,Pr3+作为激活剂;采用固相法和化学共沉淀法制备了C12A7粉体和陶瓷材料并研究了其发光性能。
通过高温固相法和化学共沉淀法分别制备了Pr3+掺杂C12A7陶瓷和粉体。研究了制备过程中煅烧温度、保温时间、助熔剂和激活剂对发光材料的组成、形貌以及发光性能的影响。实验结果表明:陶瓷材料的最佳煅烧温度为1350℃,保温时间为4h;而粉体材料的最佳煅烧温度为1100℃,保温时间为4h。在制备陶瓷和粉体样品时,适量添加助熔剂H3BO3不仅可以有效地降低材料的烧结温度,还可以提高材料的发光性能,随着助熔剂H3B03浓度的增加,材料的烧结温度降低,但是材料的发光强度先增强后减弱,当助熔剂H3BO3浓度为0.1mol％时发光强度达到最大值。
通过X射线衍射,扫描电镜分析了C12A7:Pr3+材料的相组成和显微结构;并通过检测激发光谱和发射光谱研究了其发光性能。XRD测试结果表明成功地制备了具有笼状结构的单相C12A7陶瓷和粉体,通过计算XRD数据得出C12A7的晶格参数发生了变化,这表明Pr3+掺入到了C12A7晶格中。通过SEM照片观察到陶瓷样品晶粒的粒径约为10μm,晶粒边界圆润;而粉体样品的粒径约为200～300nm,存在着严重的团聚现象,并且晶粒表面呈现微孔状。
利用488nm的激发光作为激发源,可以观测到C12A7:Pr3+材料在室温下的发射。位于530nm和545nm处的发射峰对应于Pr3+的3P0→3H5跃迁发射,位于615nm处的发射峰属于Pr3+的3P0→3H6和:1D2→3H4跃迁发射,位于735nm处的发射峰对应于Pr3+的3P0→3F4跃迁发射。三组发射峰均出现不同程度劈裂,这是因为在C12A7材料中掺杂Pr+后,Pr3+占据了Ca2+的晶格位置,C12A7笼腔中游离氧离子会由于电荷补偿作用而束缚在Pr3+的附近。因Pr3+和Ca2+的价态不同而引起电荷补偿作用,导致了C12A7:Pr+材料的多峰发射。
研究了Pr3+离子浓度对C12A7:Pr3+材料的发光性能的影响,结果表明随着pr3+离子浓度的增加,3P0到低能级跃迁时对应的发射光的发光强度逐渐减弱,而对应于1D2到基态跃迁时的发射光强度随着Pr3+离子浓度的增加先增强后减弱。这是因为Pr3+获得能量由基态3H4跃迁到激发态3PJ(J=0、1、2)上,3P1、3P2能级上的离子通过无辐射弛豫到达3P0能级。3P0能级上的一部分电子通过辐射跃迁到达3H5,3H6和3F4能级,分别产生530nm,615nm和735nm的荧光辐射。另外一部分电子会通过非辐射弛豫(NR)完成1D2能级的粒子数布居,在615nm附近产生和1D2→3H4相应的跃迁辐射,因而3P0能级上的电子减少使得3P0→3H5、3P0→3H6和3P0→3F4跃迁减弱,而1D2能级上的电子增多使1D2→3H4增强。
实验工作研究结果表明Pr3+掺杂C12A7发光材料具有很强的红光发射,可用于全彩显示以及照明等领域,是一种很有发展前景的材料。