不同燃烧剂对合成YAG:Ce3+黄色荧光粉的影响研究

2021-03-29温昊璋周清华娄三钢

化工技术与开发 2021年3期

孙艳，温昊璋，周清华，何伊，娄三钢

（四川轻化工大学化学工程学院，四川自贡 643000）

1967年Blasse and Brill制备出Y3Al5O12:Ce3+（下文简写为YAG:Ce3+）黄色荧光粉，并将其作为阴极射线管照明用荧光粉进行推广应用，并指出当使用蓝光激发时，该荧光粉在黄色光区有发射。YAG:Ce3+荧光粉以其量子效率高、化学和热稳定性好、机械强度高、光学性能优良等优点，在诸多领域有广泛的应用[1]。1993年，日亚公司在GaN蓝光芯片上涂覆YAG:Ce3+黄色荧光粉获得白光，自此开启了白光LED照明的新时代[2]。

目前商业上制备YAG:Ce3+黄色荧光粉的方法为高温固相法。该方法的操作简单，但是反应温度高(＞1600℃)，反应时间长(大于5h)，消耗大量的能量，最终得到的产品颗粒较大，且有团聚现象[3]。近年来，研究者开发了共沉淀法、溶胶凝胶法、燃烧法等制备YAG:Ce3+的新方法，其中燃烧法因反应时间短、成相温度低等优势，受到广泛关注[4-5]。

燃烧法以相应的硝酸盐为原料，尿素、甘氨酸、柠檬酸或者含有-NH3基的有机物为原料，在较低的温度下，燃烧剂燃烧迅速释放大量热能，推动成相，从而制备目标材料。燃烧法通常以金属硝酸盐为原料，在反应体系中作为氧化剂。以不引入杂质元素为基本选取原则，燃烧剂通常选取只含C、H、O、N元素的有机化合物，在反应体系中作为还原剂，通常具有结构简单、高温条件下反应温和、易溶于水、反应产物无毒无害等特点[6]。

本文在前期研究的基础上，选取尿素、甘氨酸和柠檬酸分别作为燃烧剂，在900℃、保温1h的条件下，根据S. R. Jain等人[7]提出的燃烧法中计算氧化剂和还原剂配比的公式，得出3种燃烧剂的理论比值 nM∶n尿=1∶2.5、nM∶n甘=6∶5 和 nM∶n柠=3∶5，在此基础上研究了不同的燃烧剂对YAG:Ce3+黄色荧光粉的结构及荧光性能的影响。

1 实验原料及测试方法

按照化学计量比，称取一定量的Y2O3、Al(NO3)3•9H2O、Ce(NO3)3•6H2O、C6H8O7•H2O、CO(NH2)2和C2H5NO2。取3个小烧杯加入10mL去离子水，加入适量的硝酸，在磁力搅拌器上加热到60℃。将称量好的Y2O3分别加入其中，搅拌至溶液澄清后，向3个烧杯中分别加入C6H8O7•H2O、CO(NH2)2和 C2H5NO2，搅拌 30min，然后将溶解好的Al(NO3)3•9H2O和Ce(NO3)3•6H2O加入上述溶液中，升温到80℃，搅拌至溶液变为淡黄色的凝胶，转移到刚玉坩埚中。将坩埚放入马弗炉中900℃下保温1h，取出样品研磨待测试。采用X射线衍射分析仪(XRD)和Bruker铜靶(30 kV，10 mA，λ=1.5418Å)进行晶体结构测试，采用荧光分光光度计（PL）表征样品的发光性能，采用国际色度坐标委员会CIE1931软件计算色坐标。

2 结果及分析

分别采用尿素、甘氨酸和柠檬酸制备出的样品的X射线衍射谱图与标准Y3Al5O12(JCPDS No.33-0044)卡片的对比如图1所示。由图1可知，所有样品的衍射峰的位置和相对强度，均与标准卡片匹配，没有和Ce相关的杂峰，表明Ce3+离子已掺杂进入了YAG晶格内，没有生成杂相[8]。最强衍射峰位于2θ=33.3°处，对应于（420）晶面。采用尿素作为燃烧剂时，衍射峰的强度最强，表明采用尿素作为燃烧剂时样品的结晶性最好。采用Scherrer公式计算得到以尿素、甘氨酸和柠檬酸作为燃烧剂时的晶粒尺寸分别为26.59 nm、23.17 nm和19.18 nm。

图1 不同燃烧剂合成的YAG: Ce3+ X射线衍射谱图

在530nm的黄光监测下，不同样品在300～500nm波段的激发光谱图如图2所示。由图2可知，采用不同的燃烧剂合成的样品，其激发峰的位置没有发生变化，均由中心波长为340 nm和450 nm的2个宽而强的峰组成，分别对应Ce3+的能级跃迁[9]。但是发射峰的相对强度不同，以尿素为燃烧剂时，激发峰的强度最强。最强激发峰位于450 nm处，可以被蓝光发射的InGaN芯片高效激发。

图2 不同燃烧剂合成的YAG:Ce3+荧光粉在530nm监测下的激发光谱图

在450 nm的蓝光激发下，样品在480～750 nm的发射光谱图如图3所示。发射峰为宽而强的发射带，最强发射波长在530 nm处，对应Ce3+从5d 4f轨道中的2D3/27D7/2和2D3/27D5/2电荷迁移跃迁的叠加。以尿素为燃烧剂时，样品的发射峰最强，这是由于尿素作为燃烧剂时的单位热能高于柠檬酸和甘氨酸，生成的样品结晶性最好，发光强度最强[10]。

图3 不同燃烧剂合成的YAG:Ce3+荧光粉在450 nm激发下的发射光谱图

采用CIE1931计算得到尿素、甘氨酸和柠檬酸作为燃烧剂时样品的色坐标分别为(0.3684，0.5923)，(0.3579，0.5917)，(0.3623，0.5928)，在色度图中的描绘如图4所示。由图4可知，所有样品的色坐标均分布在黄绿光区，是一种高效的可匹配蓝光InGaN芯片的荧光粉[11]。