稀土离子掺杂硼酸盐荧光粉的合成及其发光性能的研究

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由于内层4f电子结构的独特性,稀土离子可表现出能级跃迁的形式极为丰富,能够吸收或发射从(近)紫外乃至红外范围的光,从而使得稀土荧光粉凸显出丰富多变的发光特性。近年来,稀土荧光粉已广泛应用于白光LED照明、显示成像、传感器和生物医学等众多领域,且由于其抗紫外辐照能力较强、发光效率高而成为当前最具研究价值的荧光粉。硼酸盐荧光粉因其拥有较高的光学损伤阈值与荧光效率、较宽的透光区域,并且制备工艺简单、合成温度低、热稳定性好,因而可作为稀土元素掺杂的一种优良发光基质的材料。本论文采用高温固相法制备了以LiBaBO3和LiSrBO3两种硼酸盐为基质的稀土荧光粉,通过XRD、SEM与PL光谱仪等对不同掺杂离子与不同掺杂量荧光粉的晶体结构、物相形貌以及发光性能进行了测试与表征,并探讨了共掺杂离子对荧光粉发光性能的影响。主要的研究内容如下:1.采用传统的高温固相法制备LiBaBO3:Tb3+荧光粉,通过XRD确定了样品的物相为纯相,并通过SEM分析了荧光粉的形貌。同时,研究了不同Tb3+掺杂量的LiBa1-xBO3:xTb3+荧光粉的发光性能,样品在369 nm光激发下,最主要的发射光为波长544 nm的绿光,该发射峰对应于Tb3+5D47F5特征跃迁。当Tb3+的掺入量为x=0.05时,荧光粉的发光强度达到最高。样品的CIE色度坐标均处在绿光区域,与标准绿光色度坐标非常接近。基于Tb3+的最佳掺杂浓度,制备了可被(近)紫外光有效激发的Bi3+和Tb3+共掺的LiBa1-x-yBO3:xTb3+,yBi3+荧光粉。在254 nm激发光下,该荧光粉在绿光范围内有最强发射峰(λ=544 nm)。随着Bi3+掺杂量的增加,Bi3+和Tb3+之间存在偶极-偶极相互作用进行能量传递。该系列荧光粉的CIE坐标显示发光颜色呈现出由绿色到白光的渐变趋势。2.通过固相反应制备一系列稀土离子与Bi3+共掺的LiSrBO3:Bi3+,RE3+(RE=Eu,Sm,Tb)荧光粉。通过XRD来表征其物相结构为纯相LiSrBO3,采用SEM、EDS分析了样品的表面形貌与元素组成。固定Eu3+的掺杂浓度,制备Bi3+掺量不同的LiSrBO3:Eu3+,Bi3+系列荧光粉。样品在紫外光激发下,LiSrBO3:Eu3+,Bi3+荧光粉产生波长613 nm的典型红光发射,对应于Eu3+5D07F2跃迁。相比于单掺Eu3+的荧光粉,共掺杂的荧光粉的发光强度明显增强,且当敏化离子Bi3+掺入量为x=0.03时,发光达到最强,此时CIE色坐标为(0.595,0.385),位于红光区域。利用Bi3+与Sm3+共掺杂制备了能够被(近)紫外光所激发的LiSrBO3:Sm3+,Bi3+荧光粉,其激发光谱在波长404 nm处有最强的激发峰。随敏化离子Bi3+掺入量逐渐增多,样品的发光强度呈现先增强后减弱的趋势,这源于Bi3+与Sm3+离子间存在能量转移,主要是以偶极-偶极相互作用进行能量传递的。LiSrBO3:Sm3+,Bi3+荧光粉的CIE色坐标位于橙红色区,具有潜在的应用前景。此外,在空气气氛下煅烧得到了物相为纯相、结晶良好的LiSrBO3:Tb3+,Bi3+荧光粉,当Bi3+掺入量逐渐增加,荧光粉颜色可由浅黄绿色变化到绿色,且样品的发光在最佳掺杂量x=0.03时达到最强。
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