稀土材料掺杂对硼酸盐发光粉性能的影响*

游兴艳，杨丽萍，商继祥，蒋傲男，陈国强，张　晓，王　卓

(烟台大学环境与材料工程学院，山东　烟台　264005)



稀土材料掺杂对硼酸盐发光粉性能的影响*

游兴艳，杨丽萍，商继祥，蒋傲男，陈国强，张晓，王卓

(烟台大学环境与材料工程学院，山东烟台264005)

用高温固相法合成了Ba2-Xb10O17:xEu3+(x=0.04,0.08,0.12,0.16,0.20,0.24,0.28)红色荧光粉，并对此荧光粉的结构及发光特性进行了研究。结果表明，样品用λex=406 nm激发时,在λ=702 nm处得到发光光谱，随着Eu3+掺杂浓度的增大，样品的发光性能先增强后减弱。样品在x=0.20处发光性能最好，x<0.20时，随着Eu3+掺杂浓度的增大，样品发光性能增强；x>0.20时，样品发生浓度淬灭，发光性能减弱。说明Eu3+的掺杂浓度在Ba2-Xb10O17:xEu3+红色荧光粉的发光性能中发挥重要的作用。

Ba2-Xb10O17; xEu3+荧光粉; Eu3+掺杂浓度; 发光性能

1　实　验

1.1发光材料的制备

图1实验流程图

Fig.1Chart of experiment

采用高温固相反应法制备了Ba2-Xb10O17:xEu3+系列发光粉。首先根据Ba2-Xb10O17:xEu3+(x=0.04,0.08，0.12,0.16,0.20,0.24,0.28)的化学计量比例准确称量原料BaCO3(AR),H3BO3(AR),Eu2O3(99.99%)。将所称取的原料放入玛瑙研钵体中，充分研磨使各原料混合均匀，均匀混合后倒入刚玉坩埚中，放入马弗炉中升温150 min至800℃，保温330 min后随炉冷却，取出磨细既得所需发光粉样品。

1.2发光材料的表征

样品的X射线衍射分析(XRD)用ShimazuXRD-7000S/L型X射线衍射(X-ray powder diffraction,XRD)仪分析晶相，在工作电压为40 kV，工作电流为30 mA，扫描速度为10°/min条件下进行测定。辐射源为Cu靶，Kα1，λ=1.54056 nm。用FluoroMax-4荧光光谱仪(Horiba Scientific公司)(利用固体样品架)测试样品的荧光光谱(氙灯作为激发光源)。所有测试都是在室温下进行。

2　结果与讨论

2.1样品的XRD图像分析

图2　Ba2-Xb10O12:xEu3+荧光粉的XRD图

图2为Ba2-Xb10O17:xEu3+(x=0,0.24,0.04)荧光粉的XRD图。从图2中可以看出主要衍射峰基本与Ba2B10O17标准卡片符合得很好。其中a=9.858,b=9.990,c=6.706,α=96.79,β=106.64,γ=76.89[ 5]，有晶胞参数可以断定，Ba2B10O17的晶胞结构属于三斜晶系P1空间群。

2.2样品的激发光谱和发射光谱

图3　Ba2-Xb10O12:xEu3+荧光粉的激发光谱和发射光谱

如图3所示，Ba2-Xb10O17:xEu3+荧光粉室温下测得702 nm发射得到激发光谱，406 nm激发得到发射光谱。激发光谱图中的锐线峰归属于Eu3+离子固有的4f-4f跃迁特征窄带激发峰。400 nm(7F0-5L6)处的激发峰最强，与白光LED常用的紫色芯片的发射很好的匹配。样品的发射光谱是702 nm处的尖峰，为Eu3+离子的特征发射峰，归属于Eu3+的激发态5D0到基态7FJ的跃迁。

图4　样品的激发光谱

图3给出的是 Ba2-Xb10O17:xEu3+荧光粉在702 nm发射得到的激发光谱。Ba2B10O17的激发光谱主要包括两部分[6]。一部分为波长为220～280 nm范围内的宽带激发峰，归属于电子从O的2p轨道迁移到Eu3+的4f轨道的电荷迁移带。随着Eu3+离子掺杂浓度的增加，电荷迁移带的位置发生红移，说明Eu3+所处的晶体场环境发生变化，Ba2B10O17基质O在Eu3+中心产生的势场减弱[7]。当x=0.1时，电荷迁移带达到最强；掺杂浓度增大到一定浓度后Eu3+的发光因浓度淬灭减弱，随之电荷迁移带的强度减弱[8]另一部分为300～550 nm之间的锐线峰，归属于Eu3+离子固有的4f-4f跃迁特征窄带激发峰。图3样品的激发光谱属于第二部分，Eu3+离子固有的4f-4f跃迁。

图5　为样品的发射光谱

激活离子的掺杂浓度是影响发光材料性能的一个重要因素，图4样品的发射光谱显示了掺杂浓度对发光强度的影响。随着掺杂浓度的增大，Ba2-Xb10O17:xEu3+荧光粉的发光强度逐渐增强，当Eu3+的掺杂浓度达到x=0.2时，荧光粉的发光强度达到最大，此后出现浓度淬灭现象，荧光强度逐渐减弱，因此Eu3+在该荧光粉中的最佳掺杂浓度约为x=0.2。这可能是由于随着掺杂Eu3+浓度的增加，Eu3+之间的交叉弛豫引起浓度淬灭的几率变大，同时材料中的缺陷和非故意掺杂的杂质之间激发迁移的速率变大，部分激活中心未获激发能量，而交叉弛豫已激发的激活中心能量，短程传递的能量有部分被主晶格内的缺陷吸收，能量损失，发光减弱，引起浓度淬灭。

3　结　论

采用高温固相法合成了Ba2-Xb10O17:xEu3+(x=0.04,0.08，0.12,0.16,0.20,0.24,0.28)红色荧光粉，并对Eu3+掺杂浓度对其发光性能的影响进行了研究。研究发现：在406 nm的紫外光激发下，发射峰位于702处，归属于5D0-7F4电偶极跃迁。随着Eu3+掺杂浓度的增加，荧光粉的发光强度呈现先增长后降低的趋势，Eu3+的最佳掺杂浓度约为x=0.2，以上研究结果表明红色荧光粉Ba2-Xb10O17; xEu3+在紫光芯片激发的白光LED中具有潜在的应用价值。

[1]毕颖,王国胜,田彦文.稀土硼酸盐发光材料的研究进展.材料导报,2013,27(1):34-37.

[2]张雪,郑贤火,廖世才,等.K+掺杂对YBO3Eu3+粉末发光性能的影响[J].浙江理工大学学报,2015,33(4):481-486.

[3]常素玲.长余辉发光材料的燃烧法制备及其发光性质研究[D].南宁：广西大学硕士论文,2006.

[4]李建宇.稀土发光材料及其利用[M].北京:化学工业出版社,2003.

[5]Jennifer L Stone-Sundberg,Douglas A Keszler,Gerard Aka,et al.Nonlinear optical borate crystal Ba2B10O17[J].SPIE,2001,4268:175-179.

[6]吴占超,梅永梅.白光LED用磷酸盐、硼酸盐荧光粉的制备及发光性质研究[D].山东:青岛科技大学,2014.

[7]Huang C，chan T，Liu W,et al.Crystal structure of blue-white-yellow color-tunable Ca4Si2O7F2:Eu2+,Mn2+phosphor and investigation of color tenability through energy transfer for single-phase white-light near-ultraviolet LEDs[J].J.Mater.Chem,2012,22:20210-20216.

[8]孙立男,孟庆裕,冯晓辉,等.Eu3+掺杂的Y10W2O21纳米荧光粉的制备及其发光性质研究[J].光谱学与光谱分析,2011,31(12)：3218-3222.

Effect Doped with Rare Earth Material on the Properties of Borate Luminescent Powder*

YOU Xing-yan，YANG Li-ping，SHANG Ji-xiang，JIANG Ao-nan，CHEN Guo-qiang，ZHANG Xiao，WANG Zhuo

(Yantai University,Shandong Yantai 264005,China)

The Ba2-Xb10O17:xEu3+(x=0.04,0.08,0.12,0.16,0.20,0.24,0.28)red phosphors was synthesized by high temperature solid state reaction,and the structure and photoluminescence properties of this phosphor were investigated.The results showed that this phosphor was excited by near-ultraviolet and blue light λex=406 nm,and luminescent spectrum was got on λ=702 nm,with the concentrations of Eu3+-doped increasing,the photoluminescence properties of this phosphor became stronger at first,then became weaker,the best concentration of Eu3+-doped was x=0.20,x<0.20,the photoluminescence properties of this phosphor became stronger with the concentrations of Eu3+-doped increasing,x>0.20,sample’s concentration quenching,photoluminescence properties became weak,so the concentrations of Eu3+-doped had a important effect on photoluminescence properties of Ba2-Xb10O17:xEu3+red phosphors.

Ba2-Xb10O17:xEu3+phosphors; concentrations of Eu3+-doped; photoluminescence properties.

烟台大学大学生科技创新基金项目(No：140406)。

游兴艳(1993-)，女，本科学生。

O61

A

1001-9677(2016)06-0045-03