新型Y（Zr）AG:Ce，Eu荧光粉的合成与表征

王佳诺

摘要：在本文中，采用Ce、Eu、Zr共掺杂YAG基体，其中Zr作为荧光粉基质材料，Ce和Eu作为发光中心，从而制备出一种全新的Y（Zr）AG：Ce， Eu荧光粉。

1引言

传统的蓝色晶体和黄色荧光粉组合因缺少红光成分而显色性较差，光源显示冷光，饱和度差。因此，改性YAG：Ce荧光粉，使其添加红光成分，成为一种提高YAG：Ce荧光粉发光性能的新型途径。

Eu3+的最外层电子结构为4f6，其发射光谱波长位于红色区域，在发光材料和LED显示方面，用Eu3+进行了较多的掺杂。因此考虑到对YAG基体进行Ce、Eu共掺杂，从而制备同时发黄光和红光的荧光粉。

锆酸盐具有高熔点、低导热系数、高化学稳定性、优良的离子导电性等优良性能。锆酸盐广泛应用于许多领域，如热障涂层材料、耐火材料和发光材料。锆酸盐作为一种具有优异发光性能的基质材料，近年来在稀土发光材料领域得到了广泛的应用。

2结构分析

之前的文献中已确定Ce和Eu的最佳掺杂比例为xCe=0.06，xEu=0.06，故固定采用此掺杂浓度。

从不同Zr掺杂量的Y（Zr）AG：Ce，Eu样品的XRD图谱中可以看出，当掺杂浓度为xZr=0.5和1时，样品的衍射图谱表明，所有峰均符合YAG相（PDF#88-2047）的立方石榴石结构，没有发现其他晶相。在其他XRD图谱上，当掺杂浓度为xZr=1.5时，出现了Zr5Al3O0.5（PDF#82-0494）弱主峰。当掺杂浓度为xZr=2时，YAG和Zr5Al3O0.5相同时出现。结果表明，随着Zr掺杂浓度的增加，样品不再是单一的YAG相，出现了Zr5Al3O0.5的六方结构。

从离子半径的角度出发，Y、Al、Ce、Eu、Zr的离子半径与配位情况可以看出，六配位的Y、Ce、Eu、Zr的离子半径比较接近，分别为Y（0.9）、Ce（1.01）、Eu（0.947）、Zr（0.72），而Al无论是四配位还是六配位，离子半径与上述离子相差很大（分别是0.39和0.535）。因此可以认为，Ce、Eu、Zr共掺杂后取代了Y的位置。

在其他图线上，当掺杂比例为1.5時，开始有的微弱的主峰出现。当掺杂比例为2时，同时出现了YAG和的相。这说明，当Zr的掺杂比例变大时，样品不是单一的YAG相了，六边形结构的出现了。

通过 MDI Jade 5.0 程序对Y（Zr） AG：Ce，Eu的XRD 谱线进行全谱拟合，计算结果表示，由于xZr=2的主相不再是YAG，故不对其进行全谱拟合。可以看出，掺杂Zr的荧光粉的其晶胞参数与立方晶系Y3Al5O12：Ce，Eu基本一致， Zr的掺杂并没有使样品主体的晶体结构发生明显的变化。但是可以看到，随着Zr掺杂浓度的增加，相应的晶胞参数逐渐减小，这是由于 Zr的离子半径（0.072nm， CN= 6）小于 Y的离子半径（0.09nm，CN= 6） ，Zr取代 Y会引起基质晶格的收缩。

3形貌分析

纯YAG的SEM照片可以看到颗粒尺寸很均匀，很少团聚，以1μm为单位放大，可以看出颗粒的最小尺寸为2μm。掺杂Zr的其他样品的SEM照片，以2μm为单位放大。其中xZr=0.5和xZr=1的样品颗粒尺寸小，分布均匀，不易团聚。尤其xZr=1的样品，最小颗粒也为2μm，粉体的颗粒很好。这是由于掺杂Zr之后，晶体结构收缩，从而粒径更小，结晶性更好。同时由于Zr是+4价，比Y3+多一个正电荷，故Zr取代Y之后，荧光粉颗粒间相互排斥，从而分布的更均匀，不容易团聚。然而，xZr>1以上的组分颗粒尺寸大，团聚现象严重。这是因为随着Zr掺杂浓度的增大，产生了杂相，颗粒之间相互影响，造成了团聚。

4发光性能分析

由于采用InGaN/GaN基蓝光二极管激发荧光粉来制备白光LED，故采用InGaN/GaN的蓝光发射波长460nm对制备的荧光粉进行激发，从而获得在460nm下的发射光谱。

可以看出未掺杂Zr的和Zr的掺杂量为0.5的样品，在530nm和692nm处各有一个尖锐的峰，分别是Ce3+和Eu3+的特征发射峰，分别对应于Ce3+的5D→2F5/2跃迁和Eu3+的5D0→7F4跃迁。而Zr掺杂量大于0.5的样品的发射光谱谱图，除了上述的两个峰外，在575nm、588nm、611nm和654nm处，也有相应的峰值。这些特征发射峰，分别对应于Eu3+的5D0→7F0、5D0→7F1、5D0→7F2、5D0→7F3跃迁。众所周知，Eu的发射光谱峰值和Eu在基质晶格中的位置有关。当Eu3+不取代基质晶格的对称中心的位置时，电偶极跃迁5D0→7F2会出现，而当Eu3+位于基质晶格的对称中心时，磁偶极跃迁5D0→7F1会出现。这说明，在Zr的掺杂浓度较低时（xZr=0和0.5），Ce取代Y的取代量较大，Eu取代了较少的y，没有占据中心对称和局域对称的Y的位置。而随之Zr掺杂浓度变大（xZr=1、1.5和2时），Y离子减少，Eu离子占据了中心对称和局域对称的位置，磁偶极跃迁和电偶极跃迁出现了。这说明当zr掺杂量增大时，橙红光组分增加，相比于xZr =0和xZr =0.5的样品，荧光粉的颜色更加多样化。

从不同掺锆磷光体的发射光谱强度可以看出，Ce3+的5D→2F5/2跃迁强度最高，因此在整个荧光粉中，绿-黄光强度最高。Eu3+的第二高峰强度为5D0→7F2，呈橙红色。结果表明，Eu3+发光强度以绿黄光最大（530nm），其次为橙红光（616nm），然后是5D0→7F0和5D0→7F1。比较不同Zr掺杂组分的样品，发现当掺杂比为xZr=1时，荧光粉各峰的发光强度最高。结合XRD和SEM分析表明，组成为xZr=1的荧光粉保持了YAG的结构，没有其他杂质。所得粉末形貌好，粒径小，分布均匀，无团聚现象。因此，可以确定磷光体的最佳掺杂比为xZr=1。通过掺杂锆，与YAG：Ce，Eu（xZr=0）比较，新型Y（Zr）AG：Ce，Eu荧光粉具有更高的色度和更多的橙红光波长。因此，新型Y（Zr）AG：Ce，Eu荧光粉是一种在白光LED领域应用的潜在色饱和荧光粉。

5结论

比较各掺杂组分的样品，可以看出当掺杂比例为xZr=1时，荧光粉的在各峰值的发光强度均为最高。结合XRD图和SEM图谱，该组分保持了YAG的结构没有其他杂项，粉体颗粒相貌好，尺寸小，分布均匀，无团聚。因此可以确定该荧光粉的最佳掺杂比例为xZr=1。通过掺杂Zr，相比于YAG：Ce，Eu（xZr =0），YAG荧光粉的色彩度更高了，增加了更多波长的橙红光。因此，荧光粉是一种潜在的色彩度饱和的荧光粉。