磷酸盐和硼酸盐荧光粉的合成及其荧光性质研究

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21世纪以来,随着自然资源的日益枯竭、环境的恶化以及人们环保意识的提高。半导体照明灯作为第四代绿色固体照明灯引起人们广泛的兴趣。荧光粉作为light-emitting diodes (LEDs)的重要组成部分也成为科研人员的研究重点。传统的白光LEDs实现方式是通过蓝色芯片激发YAG:Ce3+实现的,而这种白光存在显色指数低,色温偏高的问题。于是,研究人员提出了另外一种白光的实现方式,即通过近紫外芯片激发三基色荧光粉,这种白光的实现方式有效的提高了显示指数和降低色温。本论文的研究重点是研究可以被近紫外芯片激发的三基色荧光粉。通过传统高温固相法合成Sr6Ca4(PO4)6F2:Eu2+、Sr6Ca4(PO4)6F2: Eu2+, Tb3+、Li6Gd(BO3)3:Ce3+, Tb3+、Li6Gd(BO3)3:Tb3+/Bi3+, Eu3+、 Na2BaMgP2O8:Ce3+, xMn2+(NBMP:Ce3+, Mn2+)蓝、绿、红等三基色样品粉末;然后通过X射线衍射(XRD)、电子扫描电镜(SEM)、紫外可见吸收光谱(UV-vis)、傅里叶红外光谱(FT-IR),荧光光度计等仪器对样品的结构、形貌、光谱进行表征,结论如下:(1)在近紫外的激发下,Sr6Ca4(PO4)6F2:Eu2+荧光粉的发射光谱从400延伸至500 nm且峰值位于452 nm处;在452 nm监测下,样品则发出宽且强的激发峰。样品的猝灭浓度为0.05 mol,临界距离为27.95 A。此外,Sr6Ca4(PO4)6F2:Eu2+荧光粉的能量传递机理为偶极-偶极相互作用;荧光寿命也被研究并用于进一步证明Eu2+之间存在能量传递;与此同时,根据样品荧光发射光谱算出其CIE值为(0.143,0.065),这比商用蓝色荧光粉(BAM的CIE为(0.142,0.107))的色纯度更高。为了实现光谱的连续可调,我们对Sr6Ca4(PO4)6F2进行了Eu2+, Tb3+共掺,在294 nm激发下,观察到Sr6Ca4(PO4)6F2:Eu2+, Tb3+样品的发射光谱既包含位于452 nm处Eu2+的特征发射峰又包含位于545 nm处Tb3+的特征发射峰,通过控制Eu2+/Tb3+的比例,样品的发射光谱的颜色呈现从蓝色到蓝绿的变化现象。Sr6Ca4(PO4)6F2:Eu2+,Tb3+粉末中Eu2+到Tb3+的能量传递机理为偶极-偶极相互作用,临界距离为28.09 A。(2)合成样品Li6Gd(BO3)3:0.05Ce3+, Tb3+表现出强且宽的吸收带,其激发峰范围为275-400 nm,这与近紫外LED芯片相匹配;通过共掺Ce3+、Tb3+,不仅拓宽了Li6Gd(BO3)3:0.05Ce3+, xTb3+吸收峰,而且使Tb3+的特征发射峰强度比单掺Tb3+提高2.3倍;通过控制Ce3+/Tb3+,可以使样品Li6Gd(BO3)3:0.05Ce3+,xTb3+的发射峰呈现由蓝色区域向绿色区域逐渐有规律的变化;Li6Gd(BO3)3:0.05Ce3+, Tb3+的能量传递机理归属于偶极-偶极相互作用且临界距离为17.59 A。(3)对于Li6Gd(BO3)3:Bi3+, Eu3+样品来说,Bi3+、Eu3+共掺极大的提高了荧光发射强度,与单掺Eu3+相比,荧光强度提高了2.76倍;对于Li6Gd(BO3)3:Tb3+, Eu3+样品来说,通过控制Tb3+/Eu3+的浓度比例,可以获得色区由绿色向橙红逐渐变化的荧光粉;此外,与单掺Eu3+/Tb3+相比,其吸收峰得到了拓宽,这更有利于其与LED芯片的封装并提高光效;再次,也对Li6Gd(BO3)3:Tb3+, Eu3+能量传递机理进行探讨,Tb3+、Eu3+的能量传递机理归属于交叉驰豫和偶极-偶极相互作用且临界距离为12.63A。(4)对于NBMP:Ce3+、Mn2+荧光粉,在608 nm的监测下,样品表现出强且宽的发射带(220-350 nm);在279 nm激发下,发射峰拥有Ce3+和Mn2+的特征峰。基于Ce3+跟Mn2+的能量传递,通过控制Mn2+的浓度,其色域呈现有规律的变化,最后到达红色区域。此外,其荧光寿命曲线证明了Ce3+跟Mn2+间存在能量传递;与此同时,对NBMP:0.05Ce3+、0.15Mn2+的量子效率进行了研究,可以得出其量子效率高达78.9%。
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