阳离子引入对CsPF6:Mn4+红色荧光粉发光性能的影响

何盛安， 徐范范， 吴迪,2， 王智伟，彭家庆,2， 叶信宇,2,3

（1.江西理工大学，a.材料冶金化学学部,b.江西省稀土发光材料与器件重点实验室,江西 赣州341000;2.国家离子型稀土资源高效开发利用工程技术研究中心,江西 赣州341000；3.江西稀土功能材料科技有限公司，江西 赣州341000）

荧光粉作为一种具有高附加值的功能材料，已广泛用于现代照明和显示产品领域，例如以白光发光二极管（WLED）为基础的固态照明和液晶显示（Liquid Crystal Display,LCD）[1-4]。目前，最常用的LED光源是用蓝光InGaN芯片、绿色(或黄色）荧光粉和红色荧光粉封装而成[5-10]。高效的红色荧光粉是降低色温（Correlated Color Temperature,CCT）和提高显色指数（Color-Rendering Index,CRI）的关键[11-13]。目前，Mn4+掺杂的氟化物由于其优良的光致发光性能（PL），如在蓝光区域的强吸收、高色纯度的强发射等优点[14－15]，受到越来越多人的关注。因此，对Mn4+掺杂荧光粉进行晶体结构设计、新材料开发和发光性能优化的研究已引起学术界和工业界人士的高度重视。

近年来，Mn4+非等价掺杂的氟化物荧光粉，例如化学通式为A2AXF6∶Mn4+（A=Na+,K+,Rb+或Cs+;X=Al3+,Ga3+或Sc3+）[16-18]，APF6∶Mn4+（A=K+,Rb+或Cs+）[19]，以及AxZFx+5∶Mn4+（A=Na+或K+;Z=Ta5+或Nb5+）[20]等荧光粉成为了荧光粉领域的研究热点。然而，Mn4+非等价掺杂的氟化物红色荧光粉，由于Mn4+与被取代离子的价态不同，使缺陷增加，无辐射跃迁概率增加，导致这类氟化物荧光粉的发光效率和亮度显著下降[21]。

针对以上问题，本文利用共沉淀方法合成了非等价掺杂的CsPF6:Mn4+红色荧光粉，通过加入LiF、NaF、KF引入Li+、Na+、K+阳离子，研究不同的阳离子掺杂对CsPF6:Mn4+荧光粉发光性能的影响，以证明通过阳离子引入提高Mn4+掺杂氟化物红色荧光粉发光强度的可行性。

1 实 验

1.1 材料制备

合成K2MnF6前驱体：将KMnO4和KHF2按照质量比为20∶1加入到500 ml HF（40%）中搅拌制成混合溶液，采用H2O2（30%）作为还原剂将Mn7+还原为Mn4+，陈化4h后得到K2MnF6沉淀物，沉淀用无水乙醇（99.9%）洗涤后置于烘箱中在60℃下干燥3 h，即得到K2MnF6前驱体[15]，反应式如下：

共沉淀法合成CsPF6∶Mn4+荧光粉：将3.8 mL的HF（40%）与1.2 mL的HPF6（60%）制成混合溶液，然后再将0.19 g的K2MnF6继续搅拌（HPF6∶K2MnF6=10∶1），在磁力搅拌器上搅拌5 min后加入7.0 g CsF白色固体粉末，获得黄色沉淀物，离心分离，用乙酸（99.9%）和无水乙醇（99.9%）洗2次，再将样品在温度为60℃的干燥箱内干燥7 h，得到CsPF6∶10%Mn4+。控制其他条件不变情况下，在共沉淀法加入K2MnF6的同时分别加入2%LiF，2% NaF，2%KF，获得CsPF6:10%Mn4+,2%Li+、CsPF6∶10%Mn4+,2%Na+、CsPF6∶10%Mn4+,2%K+荧光粉，样品制备流程见图1。

图1 K2MnF6前驱体和CsPF6∶10%Mn4+、CsPF6∶10%Mn4+,2%Li+、CsPF6∶10%Mn4+,2%Na+、CsPF6∶10%Mn4+,2%K+样品的制备流程Fig.1 Synthesis process diagram of K2MnF6 and CsPF6:10%Mn4+;CsPF6:10%Mn4+,2%Li+;CsPF6∶10%Mn4+,2%Na+;CsPF6∶10%Mn4+,2%K

1.2 材料结构和形貌表征

样品采用X射线单晶衍射仪（德国Bruker，SMART APEX）对粉末进行物相分析，测试条件为：Cu Kα辐射，扫描范围10°～90°。扫描电镜（日立公司，TM3030）观察样品形貌。荧光光谱仪（日立公司，F-7000），激发光源为150 W氙灯。量子效率测定采用北京卓立汉光仪器公司的SENS-9000稳态荧光光谱仪，激发光源是500 W氙灯。热猝灭性能测试（杭州远方光电公司EX-1000），测试温度点为298、323、348、373、398、423、448、473 K。

2 结果与讨论

2.1 结构与形态

图2 所示为所合成的CsPF6:10%Mn4+荧光粉的X射线衍射图。Mn4+通过取代离子半径相近的P5+进入主晶格，CsPF6:10%Mn4+荧光粉的衍射峰与立方晶相CsPF6的标准图谱 （JCPDS No.34-0506；a=b=c=0．822 8 nm；V=0.557 nm3；Z=4）相匹配。因此，CsPF6:10%Mn4+荧光粉与相应的CsPF6基质具有相同的立方结构，空间群为Fm3m，α=β=γ=90°），Mn4+掺入CsPF6基质后，晶体结构没有发生明显变化，所制得的CsPF6:10%Mn4+荧光粉为单一相。CsPF6:10%Mn4+的微观形貌如图3所示，CsPF6:10%Mn4+的颗粒分布均匀，颗粒表面光滑，平均粒径约为20μm，有利于获得出光更加均匀的白光LED器件。

图2 CsPF6:10%Mn4+样品的X射线衍射（XRD）图谱Fig.2 X-ray diffraction（XRD）pattern of CsPF6:10%Mn4+

图3 CsPF6:10%Mn4+样品的的SEM图像Fig.3 Scanning electron microscopy（SEM）image of CsPF6:10%Mn4+

2.2 CsPF6:10%Mn4+荧光粉的发光性能

CsPF6:10%Mn4+的激发和发射光谱如图4（a）所示，在468 nm激发下，CsPF6:10%Mn4+样品在约600～660 nm处呈现出一系列的窄带发射峰，其中最强发射峰约位于634 nm，这归因于Mn4+的自旋禁阻的跃迁：2Eg→4A2g[22]。在634 nm监测波长下，其激发光谱分别约在365 nm和468 nm处存在2个宽的激发带，其中，365 nm处的宽激发带归因于Mn4+的自旋允许的跃迁：4A2g→4T1g，而在468 nm处的激发带来源于4A2g→4T2g，另外，450 nm附近的一系列锐线峰可能来源于Xe灯，文献[23-25]中也报道过类似现象。468 nm处的激发带的强度远高于365 nm处的激发带强度，表明所制备的CsPF6:10%Mn4+红色荧光粉的吸收峰与商业化的蓝光LED芯片匹配；450 nm激发时其内量子效率为50.1%，在白光LED器件中具有潜在的应用前景。图4（a）中插图为CsPF6:10%Mn4+红色荧光粉在468 nm激发下的图像。图4（b）所示为CsPF6:10%Mn4+红色荧光粉的CIE色坐标图，坐 标 点 （0.697 6，0.302 3）位 于 红 光 区 域，与Sr4Al14O25:Mn4+（0.722，0.278），Sc0.82Lu0.05VO4:Eu3+0.07,Li+0.06（0.6629，0.3341），LiGd0.6Eu0.4（Mo0.6W0.4）2O7.7F0.6（0.645，0.346）等相比[26-28]，更接近于美国国家电视标准委员会 （NTSC,National TV Standard Committee）的红色标准值（0.67，0.33）[12]。

图4 在468 nm激发下CsPF6:10%Mn4+样品的激发发射光谱和CIE色坐标Fig.4 the PLE and PL spectrum,and the CIE color coordinate of CsPF6:10%Mn4+sample excited at 468 nm

2.3 阳离子引入对CsPF6:10%Mn4+发光性能的影响

为了探究阳离子对CsPF6:10%Mn4+发光性能的影响，通过共沉淀方法加入KF、NaF、LiF，分别合成了CsPF6:10%Mn4+；CsPF6:10%Mn4+,2%Li+；CsPF6:10%Mn4+,2%Na+；CsPF6:10%Mn4+,2%K+的样品。图5所示为样品的X射线衍射（XRD）图谱，加入LiF、NaF和KF后，样品的衍射峰与所制备的未引入阳离子的CsPF6:10%Mn4+样品一致，并且样品的X射线衍射图谱中没有出现额外的衍射峰，说明Li+、Na+、K+的掺入没有改变晶体的结构。

图5 CsPF6:10%Mn4+；CsPF6:10%Mn4+,2%Li+；CsPF6:10%Mn4+,2%Na+；CsPF6:10%Mn4+,2%K+样品的X射线衍射（XRD）图谱Fig.5 X-ray diffraction（XRD）pattern of CsPF6:10%Mn4+;CsPF6:10%Mn4+,2%Li+;CsPF6:10%Mn4+,2%Na+;CsPF6:10%Mn4+,2%K+

通过荧光光谱仪测试了CsPF6:10%Mn4+；CsPF6:10%Mn4+,2%Li+；CsPF6:10%Mn4+,2%Na+；CsPF6:10%Mn4+,2%K+样品在468 nm激发下的发射光谱。如图6（a）所示，引入了阳离子的样品（CsPF6:10%Mn4+,2%Li+；CsPF6:10%Mn4+,2%Na+；CsPF6:10%Mn4+,2%K+）与未引入阳离子样品（CsPF6:10%Mn4+）发射峰的位置和峰型一致，但是在相同的测试条件下，不同的离子对荧光粉的发光强度有着显著的影响。如图6（b）所示，在3种阳离子中，引入K+和Li+后发光强度增强，加入Na+后发光强度降低。通常来说，过渡金属离子的f-f跃迁属于宇称禁戒跃迁，受周围的晶体场对称性影响较大，离子周围的局域晶体场对称性越低，其谱线强度就越强，4f禁戒跃迁就解除得越彻底，辐射跃迁的可能性将大大增加[29]。晶体场的晶格畸变主要受到了离子的电负性和半径大小影响。加入Li+后，由于Li+电负性较大，产生的晶格收缩较大，降低了晶格对称性，而低的晶格对称性被证明是有利于发光的。加入K+后，由于K+的离子半径大，位于间隙位置引起的晶格膨胀大，从而增强发光。而加入Na+后，在上述2种因素的共同作用下，晶体场对称性相比原有的更趋近于对称，发光强度降低。

图6 CsPF6:10%Mn4+；CsPF6:10%Mn4+,2%Li+；CsPF6:10%Mn4+,2%Na+；CsPF6:10%Mn4+,2%K+在468 nm激发下的发射图谱和相对发光强度Fig.6 Emission spectrum and relative intensity of CsPF6:10%Mn4+;CsPF6:10%Mn4+,2%Li+;CsPF6:10%Mn4+,2%Na+;CsPF6:10%Mn4+,2%K+under 468 nm excitation

热猝灭性能是衡量白光LED用荧光粉的一个重要参数。LED器件的制造和工作温度时温度可达到150℃（423 K），LED芯片的工作温度通常会削弱荧光粉的荧光[30]。图7（a）和图7（b）分别为CsPF6:10%Mn4+和CsPF6:10%Mn4+,2%K+红色荧光粉在468 nm蓝光激发下，298~473 K温度范围内的温度依赖性发射光谱。随着温度升高，发射峰没有发生明显的偏移，最强发射峰位于634 nm。有趣的是，如图7（c）所示，随着温度的升高，发射强度都呈现出先增加，在423 K达到最大值，然后出现温度猝灭发光强度下降。发光强度降低是由于在升温过程中4T2激发态和4A2基态之间的热活化交叉产生的非辐射跃迁增强，荧光粉的发射强度随测量温度的升高而逐渐降低[30]。温度为423 K时的发射强度约为初始发射强度（298 K）的1.4倍，这种随着温度的升高发光强度增加的可能解释是由于样品在高温下对激发光的吸收增加和反斯托克振动发射的增强，Chen等也报道过这种现象[19]。另外，相较于CsPF6:10%Mn4+荧光粉，在298~423 K温度范围内，引入阳离子后的CsPF6:10%Mn4+,2%K+荧光粉的发射强度显著增加，增强幅度约为40%，这可能是由于荧光粉引入合适的阳离子，减少晶格缺陷，降低了非辐射跃迁的几率[20]，进一步说明了引入K+对于CsPF6:10%Mn4+荧光粉发光性能有显著的提升效果。

图7 在468 nm激发下CsPF6:10%Mn4+和CsPF6:10%Mn4+,2%K+红色荧光粉的温度依赖性发射光谱及在升温过程中发射强度的变化趋势Fig.7 Under 468 nm excitation,CsPF6:10%Mn4+and CsPF6:10%Mn4+,2%K+red phosphor's temperaturedependent emission spectra,and the trend of emission intensity during 298～473 K

3 结 论

采用共沉淀法分别制备了CsPF6:10%Mn4+荧光粉和CsPF6:10%Mn4+,2%Li+；CsPF6:10%Mn4+,2%Na+；CsPF6:10%Mn4+,2%K+荧光粉。研究表明，所制备的荧光粉具有立方结构，空间群为Fm3m。在蓝光激发下，在红光区域呈现出一系列锐利的红色发射，其中最强发射峰位于634 nm处，色坐标为（0.697 6，0.302 3）。引入K+和Li+后，发光强度增强，加入Na+后，发光强度减弱，K+对荧光粉的改善效果较好，可能是由于K+的离子半径大，位于间隙位置引起的晶格膨胀大，从而增强发光。CsPF6:10%Mn4+,K+荧光粉的发射强度随着温度的上升先增强然后由于非辐射跃迁的增加而降低。423 K时CsPF6:10%Mn4+,2%K+荧光粉的发射强度为初始发射强度（298 K）的1.4倍，相较于未引入阳离子的荧光粉发射强度增强40%。以上结果表明，阳离子的引入可以有效提升CsPF6:10%Mn4+荧光粉的发光性能。