新型橙红色荧光粉Sr_4N...(3+)的光致发光性能研究_孟宪国.pdf

第 41 卷第 2 期 Vol.41No.2 2023 年 4 月Apr.2023中国稀土学报JOURNAL OF THE CHINESE SOCIETY OF RARE EARTHS新型橙红色荧光粉Sr4Nb2O9：Sm3+的光致发光性能研究孟宪国1，2，周琼1，许英朝1，2*，刘春辉1，杨伟斌1，林翔宇1，王嘉伟1（1.厦门理工学院光电与通信工程学院，福建 厦门 361024；2.厦门理工学院 福建省光电技术与器件重点实验室，福建 厦门 361024）摘要：采用高温固相法制备了一系列新型Sr4-xNb2O9：xSm3+橙红色荧光粉，对Sr4-xNb2O9：xSm3+的物相结构、光致发光性能、荧光衰减、热稳定性等进行了研究。结果表明，Sr4-xNb2O9：xSm3+橙红色荧光粉能被近紫外和蓝光有效激发，并在607 nm处呈现出较强的橙红光发射带。研究了样品的浓度猝灭机制，样品的最佳掺杂浓度为 0.02，其浓度猝灭归因于 Sm3+离子间的电偶极间相互作用。此外，还探讨了 Sr3.98Nb2O9：0.02Sm3+样品的热稳定性，在453 K时的发光强度大约为室温下的89.6%。最后对样品的荧光寿命和CIE进行了测试，随着Sm3+掺杂浓度提高，荧光寿命不断变短；所有样品的相关色温较低，具有较高的色纯度。上述结果表明，Sm3+掺杂Sr4Nb2O9的橙红色荧光粉在固态照明领域中具有潜在的应用前景。关键词：高温固相法；Sr4Nb2O9：Sm3+；橙红色荧光粉；光致发光；白光LED；稀土中图分类号：O614 33文献标识码：A文章编号：1000-4343（2023）02-0272-07白光发光二极管（light emitting diodes，LED）因其发光效率高、寿命长、功耗低和环境友好等优点而成为第四代照明工业和显示系统不可缺少的固态光源，受到越来越多的关注1-2。近年来，由蓝光LED 芯片和可被蓝光有效激发的发黄光的 YAG：Ce3+荧光粉组成的发光二极管以其低成本、高亮度的优点被商业化3-5。然而，由于缺乏红光或橙红色光，导致白光LED的色温高，显色指数低，不能完全满足其在更广泛应用中的要求。因此，开发一种发光性能优异且稳定的新型红色或橙红色荧光粉至关重要6-7。在镧系离子中，Sm3+离子一直被认为是合成红色或橙红色荧光粉的重要稀土离子之一，这是由于Sm3+在紫外-可见光区域具有很强的吸收，4f轨道上的电子也易于从4G5/2能级跃迁到6HJ（J=5/2，7/2，9/2，11/2）能级，具有丰富的红光发射。在现有的研究中，Sm3+在不同的基质材料中都能观察到橙红色 发 光，比 如 Sr3La2GeO12：Sm3+8，Ca3Y2Si3O12：Sm3+9，YPO4：Sm3+10等。基质材料在研究新型荧光粉中起着决定性作用，也是重要的参考因素11-12。铌酸盐是制备光学材料的优良基质材料，尤其是含Nb5+离子的无机材料，由于其非线性光学、热稳定性和发光性能而受到越来越多的关注13-14。与其他的铌酸盐相比，Sr4Nb2O9具有双钙钛矿结构，具有较高的化学物理稳定性和结构组成的多样性，是光学 材 料 的 优 良 载 体15。目 前，鲜 见 Sm3+掺 杂Sr4Nb2O9荧光粉特性的研究报道。本 文 采 用 高 温 固 相 反 应 法 合 成 了 新 型Sr4Nb2O9：Sm3+橙红色荧光粉。采用X射线粉末衍射仪（XRD）、荧光衰减曲线、光致发光性能、热稳定性和 CIE 色度坐标进行了系统研究，并探究了Sr4Nb2O9：Sm3+荧光粉在白光LED中的应用。1实 验1.1样品制备通过常规的高温固相反应制备了Sr4Nb2O9：Sm3+荧光粉。按照 Sr4-xNb2O9：xSm3+（x=0，0.005，0.01，0.02，0.04，0.08，0.10，0.12，0.15）化学式计量比，称取SrCO3（AR），Nb2O5（99.9%），Sm2O3（99.99%），NH4Cl（AR），于玛瑙研钵中研磨30 min使其混合均收稿日期：2021-09-12；修订日期：2021-12-19基金项目：福建省自然科学基金面上项目（2019J01876）；厦门市科技计划重大项目（3502ZCQ20191002）；厦门理工学院科研攀登计划项目（XPDKT20009）资助作者简介：孟宪国（1977-），男，博士，副教授*通讯联系人：许英朝，男，教授；研究方向：光电材料与器件。E-mail：DOI：10.11785/S1000-4343.20230207匀，置Al2O3坩埚中，放入高温箱式炉中于1400 煅烧 12 h，自然冷却至室温，再次研磨，得到Sr4Nb2O9：Sm3+荧光粉。1.2样品表征粉末样品使用XPert PRO PANalytical（荷兰帕纳科公司）X射线衍射仪（放射源Cu K，管电压40 kV，管电流30 mA，=0.1541 nm），扫描范围为2070，扫描速度0.02（）s-1。用Perkin Elmer Lambda 650S紫外-可见分光光度计进行漫反射测试。使用EX-1000荧光粉激发光谱与热猝灭分析系统（杭州远方光电信息股份有限公司）测试变温光谱、色坐标、色温和色纯度。采用爱丁堡FLS980稳态-瞬态光谱仪进行激发发射和寿命的测试。2结果与讨论2.1物相分析图1为Sr4-xNb2O9：xSm3+（x=0，0.01，0.02，0.04，0.08）的XRD图谱。从图1可得，Sm3+掺杂的Sr4Nb2O9粉末的衍射峰与标准卡片JCPDS 48-0558匹配，没有其他中间相产生，说明合成的荧光粉是纯相。Sr4Nb2O9类似于冰晶石结构，空间群为 Fm3m。当Sm3+掺杂 Sr4Nb2O9晶体中，由于 Sr2+的离子半径为0.118 nm，Sm3+的离子半径0.096 nm，Sm3+半径和价态更接近Sr2+，基于离子半径相似机制，Sm3+将部分取代Sr2+的格位。掺杂前后样品的各个主衍射峰位 置 没 有 明 显 变 化，说 明 少 量 Sm3+的 掺 杂 对Sr4Nb2O9的晶体结构没有显著的影响。从标准卡片可知，有几处峰在样品中未出现，有可能由于Sm3+离子取代Sr2+离子导致晶胞的紧缩和助燃剂NH4Cl引入，使其样品的衍射峰出现差异，其更深层次的原因有待进一步研究。2.2光致发光谱分析测量了Sr3.98Nb2O9：0.02Sm3+荧光粉的激发光谱（监测波长607 nm）和发射光谱（激发波长406 nm），如图 2所示。激发光谱在 200500 nm 区间内存在一系列的激发峰（图2左侧曲线）。其中300 nm的激发峰归因于 O2-到 Sm3+的电荷迁移（CT）16以及Sr4Nb2O9的吸收。位于348，363，377，406，475 nm处的激发峰，源于 Sm3+的 4f-4f跃迁，分别对应于Sm3+离 子 的6H5/24H13/2，6H5/26P5/2，6H5/24L17/2，6H5/24F7/2，6H5/24I11/2的电子跃迁，最强的激发峰位于406 nm。图中的激发带覆盖了商业近紫外和蓝光 LED 芯片的发射波长，意味着 Sm3+掺杂的Sr4Nb2O9荧光粉可以在紫外光和蓝光LED芯片附近被有效激发，发出橙红色光。Sr3.98Nb2O9：0.02Sm3+荧光粉在406 nm激发下的发射光谱有4个Sm3+的特征发射峰（图 2右侧曲线），分别为 567 nm（4G5/2 6H5/2），607 nm（4G5/26H7/2），654 nm（4G5/26H9/2），717 nm（4G5/26H11/2），这些尖峰均来自于Sm3+离子内部ff能级间的跃迁。根据电偶极（MD）和磁偶极（ED）跃迁的选择定则可知，4G5/26H5/2发射归因于电偶极跃迁，4G5/26H9/2发射属于磁偶极跃迁，4G5/26H7/2由磁偶极子跃迁和电偶极子跃迁组成，通过比较磁偶极跃迁和电偶极跃迁的强度大小，有助于分析Sm3+离子在基质晶格中的格位对称性问图1Sr4-xNb2O9：xSm3+（x=0，0.01，0.02，0.04，0.08）样品的XRD图谱Fig.1XRD patterns of Sr4-xNb2O9：xSm3+（x=0，0.01，0.02，0.04，0.08）图2Sr3.98Nb2O9：0.02Sm3+荧光粉的激发（左侧曲线）和发射（右侧曲线）光谱图Fig.2PL excitation（left curve）and emission（right curve）spectra of Sr3.98Nb2O9：0.02Sm3+孟宪国等新型橙红色荧光粉Sr4Nb2O9：Sm3+的光致发光性能研究2 期匀，置Al2O3坩埚中，放入高温箱式炉中于1400 煅烧 12 h，自然冷却至室温，再次研磨，得到Sr4Nb2O9：Sm3+荧光粉。1.2样品表征粉末样品使用XPert PRO PANalytical（荷兰帕纳科公司）X射线衍射仪（放射源Cu K，管电压40 kV，管电流30 mA，=0.1541 nm），扫描范围为2070，扫描速度0.02（）s-1。用Perkin Elmer Lambda 650S紫外-可见分光光度计进行漫反射测试。使用EX-1000荧光粉激发光谱与热猝灭分析系统（杭州远方光电信息股份有限公司）测试变温光谱、色坐标、色温和色纯度。采用爱丁堡FLS980稳态-瞬态光谱仪进行激发发射和寿命的测试。2结果与讨论2.1物相分析图1为Sr4-xNb2O9：xSm3+（x=0，0.01，0.02，0.04，0.08）的XRD图谱。从图1可得，Sm3+掺杂的Sr4Nb2O9粉末的衍射峰与标准卡片JCPDS 48-0558匹配，没有其他中间相产生，说明合成的荧光粉是纯相。Sr4Nb2O9类似于冰晶石结构，空间群为 Fm3m。当Sm3+掺杂 Sr4Nb2O9晶体中，由于 Sr2+的离子半径为0.118 nm，Sm3+的离子半径0.096 nm，Sm3+半径和价态更接近Sr2+，基于离子半径相似机制，Sm3+将部分取代Sr2+的格位。掺杂前后样品的各个主衍射峰位 置 没 有 明 显 变 化，说 明 少 量 Sm3+的 掺 杂 对Sr4Nb2O9的晶体结构没有显著的影响。从标准卡片可知，有几处峰在样品中未出现，有可能由于Sm3+离子取代Sr2+离子导致晶胞的紧缩和助燃剂NH4Cl引入，使其样品的衍射峰出现差异，其更深层次的原因有待进一步研究。2.2光致发光谱分析测量了Sr3.98Nb2O9：0.02Sm3+荧光粉的激发光谱（监测波长607 nm）和发射光谱（激发波长406 nm），如图 2所示。激发光谱在 200500 nm 区间内存在一系列的激发峰（图2左侧曲线）。其中300 nm的激发峰归因于 O2-到 Sm3+的电荷迁移（CT）16以及Sr4Nb2O9的吸收。位于348，363，377，406，475 nm处的激发峰，源于 Sm3+的 4f-4f跃迁，分别对应于Sm3+离 子 的6H5/24H13/2，6H5/26P5/2，6H5/24L17/2，6H5/24F7/2，6H5/24I11/2的电子跃迁，最强的激发峰位于406 nm。图中的激发带覆盖了商业近紫外和蓝光 LED 芯片的发射波长，意味着 Sm3+掺杂的Sr4Nb2O9荧光粉可以在紫外光和蓝光LED芯片附近被有效激发，发出橙红色光。Sr3.98Nb2O9：0.02Sm3+荧光粉在406 nm激发下的发射光谱有4个Sm3+的特征发射峰（图 2右侧曲线），分别为 567 nm（4G5/2 6H5/2），607 nm（4G5/26H7/2），654 nm（4G5/26H9/2），717 nm（4G5/26H11/2），这些尖峰均来自于Sm3+离子内部ff能级间的跃迁。根据电偶极（MD）和磁偶极（ED）跃迁的选择定则可知，4G5/26H5/2发射归因于电偶极跃迁，4G5/26H9/2发射属于磁偶极跃迁，4G5/26H7/2由磁偶极子跃迁和电偶极子跃迁组成，通过比较磁偶极跃迁和电偶极跃迁的强度大小，有助于分析Sm3+离子在基质晶格中的格位对称性问图1Sr4-xNb2O9：xSm3+（x=0，0.01，0.02，0.04，0.08）样品的XRD图谱Fig.1XRD patterns of Sr4-xNb2O9：xSm3+（x=0，0.01，0.02，0.04，0.08）图2Sr3.98Nb2O9：0.02Sm3+荧光粉的激发（左侧曲线）和发射（右侧曲线）光谱图Fig.2PL excitation（left curve）and emission（right curve）spectra of Sr3.98Nb2O9：0.02Sm3+27341 卷中国稀土学报题。从图2可以看出，磁偶极跃迁强度（4G5/26H5/2）比电偶极跃迁（4G5/26H9/2）强度弱，表明 Sm3+在基质晶格中的格位对称性弱17。图 3（a）为 Sr3.98Nb2O9：0.02Sm3+荧光粉在 363，377，406，475 nm激发下的发射光谱。除荧光强度外，发射光谱在形状和位置上均相似。其中，Sm3+在 406 nm 激发下的4G5/26H7/2跃迁效率最高。图3（b）示出了Sm3+能级图，说明了在Sr4Nb2O9：Sm3+主晶格中Sm3+离子的能量传递过程。图4为Sr4-xNb2O9：xSm3+（x=0.0050.10）6种不同浓度荧光粉的荧光发射光谱图与在550750 nm光波段对其荧光强度进行积分的强度与掺杂浓度间的折线图。从图4中可以看出，随着Sm3+掺杂浓度的增加，Sr4-xNb2O9：xSm3+荧光粉的发射峰形状和位置没有改变，只是强度发生了改变，这表明Sm3+的掺杂不会改变基质的晶体结构。图 4 内图可以看出，当 Sm3+掺杂浓度0.02时，发光强度随着Sm3+掺杂浓度升高而降低。这是由于随着Sm3+掺杂浓度的增加，Sm3+离子间的距离减小，Sr4-xNb2O9：xSm3+发生了浓度猝灭现象。浓度猝灭过程通常与能量转移的距离有关，可以用式（1）来计算能量传递的临界距离18：Rc 2(3V4XcN)1/3（1）式中：Xc代表掺杂的最佳浓度，N代表Sr4Nb2O9阳离子的数目，V代表Sr4Nb2O9晶胞的体积。可得V=0.28130 nm3，Xc=0.02，N=2，计算 Sr4-xNb2O9：xSm3+的临界距离Rc=2.377 nm，计算得出的Rc大于能量交换作用距离的理论值0.5 nm，故浓度猝灭是由电多极相互作用实现的。电子多极相互作用主要有四种，分别为相邻离子间能量转移、电偶极-电偶极（d-d）、电偶极-电四极（d-q）和电四极-电四极（q-q）相互作用，其对应的电多极指数Q分别为3，6，8和10。需要进一步探讨Sm3+离子的电多极相互作用的具体机制。根据Dexter理论，荧光发射强度I和稀土掺杂浓度x之间的关系如式（2）19：I/x=K 1+(x)(Q/3)-1（2）其中，K和是在406 nm激发下的常数，Q代表电多极相互作用的指数。Sr4-xNb2O9：xSm3+（x=0.02图4Sr4-xNb2O9：xSm3+（x=0.0050.10）荧光粉的发射光谱（内图为Sm3+掺杂浓度与主荧光峰发射强度之间的关系图）Fig.4PL spectra of Sr4-xNb2O9：xSm3+（x=0.0050.10）（Inset shows dependence of integrated fluorescence intensities of main bands on Sm3+contents）图3Sr3.98Nb2O9：0.02Sm3+荧光粉在不同波长激发下的发射光谱图（a）及Sm3+能级图（b）Fig.3PL emission spectra of Sr4Nb2O9：0.02Sm3+sample under different wavelength excitation（a）and Sm3+energy level diagram（b）274孟宪国等新型橙红色荧光粉Sr4Nb2O9：Sm3+的光致发光性能研究2 期0.15）荧光粉的 lg（I/x）与 lgx 的函数曲线如图 5 所示。曲线拟合斜率Q/3约等于1.61435，Q接近于6，说明 Sr4-xNb2O9：xSm3+荧光粉的浓度猝灭主要由电偶极之间相互作用实现。2.3漫反射光谱分析图 6 为 Sr4Nb2O9和 Sr4Nb2O9：0.02Sm3+样品的漫反射光谱，在测试过程中，BaSO4被用作100%反射率的参考。从图中可得，Sr4Nb2O9基质在可见光波段（380780 nm）的穿透率在 89%以上，表明此基质适合白光LED。样品Sr4Nb2O9：0.02Sm3+的穿透率在409和457 nm处出现明显的尖峰，这是由于Sm3+在该波段的吸收，从基态6H5/2跃迁到4L17/2，4I11/2的激发态导致，进一步论证了Sr4Nb2O9：0.02Sm3+荧光粉能很好地被商业近紫外或蓝光LED芯片激发。2.4荧光衰减曲线分析图 7是 Sr4-xNb2O9：xSm3+（x=0.02，0.04，0.08）在607 nm处用406 nm激发的Sm3+荧光衰减曲线。由图可知，发光强度随时间的衰减曲线符合单指数函数，其拟合式（3）9如下：y=A1exp(-x t)+y0（3）其中：A1常数，y代表在x时的发光强度，y0表示在0时刻的发光强度，t表示荧光寿命。黑色曲线为单指数拟合衰减曲线，从拟合的数据可得，样品Sr3.98Nb2O9：0.02Sm3+的荧光寿命为 0.786 ms；随着Sm3+掺杂浓度增加，荧光寿命逐渐下降。主要由于Sm3+离子间距离减小，能量传递效率加快造成。2.5变温光谱及热稳定分析图8为Sr3.98Nb2O9：0.02Sm3+荧光粉在406 nm光激发下，不同温度的发射光谱，图8内图为样品在不同温度下的荧光强度与室温下的荧光强度的比值关系图。随着温度的升高，发光材料的荧光强度不断下降。从图中可以看出，当温度达到453 K时，发光强度接近室温下的89.6%。对比其他报道三价稀土离子掺杂的红色荧光粉如 Na5Y9F32：Dy3+，Sm3+（在423 K 时 83%）20，NaCaTiTaO6：Sm3+（在 420 K 时90%）21，Ca2GdNbO6：Sm3+（在 423 K 时 65.32%）22等，结果表明Sm3+掺杂Sr4Nb2O9荧光粉具有更好的热稳定性，荧光发射的热猝灭较弱，主要归因于Sr4Nb2O9晶格具有更高的热稳定性，在其他的铌酸图5Sr4-xNb2O9：xSm3+（x=0.020.15）中 Sm3+的 lg（I/x）和 lgx的关系曲线Fig.5Correlation between lg（I/x）and lgx of Sr4-xNb2O9：xSm3+（x=0.020.15）phosphors图7荧光粉Sr4-xNb2O9：xSm3+（x=0.02，0.04，0.08）在607 nm处用406 nm激发的Sm3+荧光衰减曲线Fig.7Decay curves of Sr4-xNb2O9：xSm3+（x=0.02，0.04，0.08）phosphors excited by 406 nm and monitored at 607 nm图6Sr4Nb2O9和Sr4Nb2O9：0.02Sm3+样品的漫反射光谱Fig.6Diffuse reflectance spectra of Sr4Nb2O9 and Sr4Nb2O9：0.02Sm3+27541 卷中国稀土学报盐体系荧光粉中也具有相似的结果。Sm3+掺杂Sr4Nb2O9荧光粉热猝灭活化能 Ea用式（4）23-24计算可得：ln(I0I-1)=lnA-EaKBT（4）式中，A是常数，KB是波尔兹曼常数8.6210-5 eV K-1，I0是室温下的荧光强度，I是某温度下的荧光强度，T 是 温 度。图 9 显 示 Sr3.98Nb2O9：0.02Sm3+荧 光 粉ln(I0/I-1)与1/T关系曲线图，进行直线拟合后的斜率为-2.07583。根据式（4）计算可得，Ea=0.1789 eV。对比其他报道 Sm3+掺杂的荧光粉如 LaBWO6：Sm3+（0.1925 eV）25，La7Ta3W4O30：Sm3+（0.28 eV）26，K3Bi0.94TaP3O13：0.06Sm3+（0.1597 eV）11。可 见Sr3.98Nb2O9：0.02Sm3+荧光粉具有良好的热稳定性，保证了在WLED上的潜在应用。2.6色坐标 表 1 为 Sr4-xNb2O9：xSm3+（x=0.005，0.01，0.02，0.04，0.08，0.10）6个样品的色坐标、色纯度以及相关色温。一般而言，荧光粉的发光颜色对其发光性能至关重要，表 1 可得所有样品具有较高的色纯度。其次相关色温较低，可以改善传统白光LED相关色温偏高的问题。图 10 是 Sr4-xNb2O9：xSm3+（x=0.005，0.01，0.02，0.04，0.08，0.10）的 CIE 图。由图中可知，所有样品的 CIE 坐标都位于橙红色区域，表明Sr4Nb2O9：Sm3+荧光粉具有较好的橙红光发射，在白光LED中具有潜在的应用前景。图8在406 nm激发下不同温度的Sr3.98Nb2O9：0.02Sm3+荧光粉的发射光谱（内图为荧光强度关系图）Fig.8Comparison of emission spectra of Sr3.98Nb2O9：0.02Sm3+（Inset shows fluorescence intensity of samples at different temperatures upon excitation of 406 nm）表1荧光粉 Sr4-xNb2O9：xSm3+（x=0.0050.10）的色坐标、相关色温和色纯度Table 1CIE chromaticity coordinates，CCT，and color purity of Sr4-xNb2O9：xSm3+（x=0.0050.10）OrderABCDEFConcentrationof Sm3+0.0050.010.020.040.080.10CIE chromaticitycoordinates（0.6191，0.3788）（0.6186，0.3791）（0.6186，0.3790）（0.6186，0.3783）（0.6129，0.3815）（0.6108，0.3840）Color purity/%99.599.499.499.299.298.6CCT/K127412781277127413251334图9Sr3.98Nb2O9：0.02Sm3+荧光粉ln(I0/I-1)与1/T关系图Fig.9Plot of ln(I0/I-1)versus 1/T for Sr3.98Nb2O9：0.02Sm3+samples图10Sr4-xNb2O9：xSm3+（x=0.005，0.01，0.02，0.04，0.08，0.10）的色坐标图Fig.10CIE coordinates Sr4-xNb2O9：xSm3+（x=0.005，0.01，0.02，0.04，0.08，0.10）coordinates276孟宪国等新型橙红色荧光粉Sr4Nb2O9：Sm3+的光致发光性能研究2 期3结 论采用高温固相法制备了 Sr4-xNb2O9：xSm3+（x=0，0.005，0.01，0.02，0.04，0.08，0.10，0.12，0.15）系列荧光粉。样品在406 nm激发下，在607 nm处有较强的橙红色发光。样品的发光存在浓度猝灭效应，最佳掺杂浓度为0.02，理论分析表明，浓度猝灭是由电偶极相互作用引起。Sr4Nb2O9基质的漫反射光谱在380780 nm波段具有较高的穿透率，表明此基质适合用于白光LED。随着Sm3+掺杂浓度的增加，样品的荧光寿命从逐渐减小，这主要是由于Sm3+离子间距离随掺杂浓度增加而减小、能量传递效率加快所致。Sr3.98Nb2O9：0.02Sm3+荧光粉在453 K时，发光强度为室温下的89.6%，表明样品具有较好的热稳定性。Sr4-xNb2O9：xSm3+荧光粉的色坐标均位于橙红色区域，其相对色温低，色纯度高。上述特性表明 Sr4Nb2O9：Sm3+荧光粉在白光 LED中具有潜在的应用价值。参考文献：1 李兆，曹静，王永锋.BaWO4：Sm3+红色荧光粉的微波合成及发光性能研究 J.中国稀土学报，2020，38（2）：139.Li Z，Cao J，Wang Y F.Preparation of BaWO4：Sm3+red phosphors by microwave method and its luminescent properties J.Journal of the Chinese Society of Rare 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