溶胶-凝胶法制备稀土掺杂硅酸盐基荧光粉及其发光性能的研究

发布时间：2020-07-22 11:37

【摘要】：白光LED作为新一代的绿色照明光源,具有轻便、寿命周期长、发光效率高、低成本等优点。目前,单芯片荧光粉的转换是实现白光LED的主要方式。因此,荧光粉的发光性能对白光LED的发光具有重要影响。此外,荧光粉的发光性能与其基质材料的物理化学性能紧密相关。所以选择一种具有良好物理化学性能的材料作为荧光粉的基质十分关键。硅酸盐具有物理化学性质稳定,原料廉价易得,合成工艺简单等优点,是稀土荧光粉理想的基质材料。以硅酸盐作为基质的稀土荧光粉的研究经常被报道。因硅酸盐具有稳定的晶体结构,使得其在白光LED及显示照明领域具有重要的应用价值。本文采用溶胶-凝胶法制备了Eu~(3+)、Tb~(3+)、Ce~(3+)稀土离子单掺杂以及双掺杂M_3MgSi_2O_8(M=Sr,Ba)硅酸盐的三种稀土荧光粉,研究了煅烧温度及稀土离子掺杂浓度对其发光性能的影响,并深入探讨了稀土离子之间的相互作用机制。本文主要研究内容如下:1.采用溶胶-凝胶法制备了Sr_3MgSi_2O_8:Eu~(3+)红色荧光粉。研究了煅烧温度对样品形貌以及发光性能的影响。当煅烧温度为1150℃时,得到的荧光粉的比表面积最大,为90.21m~2/g;所有样品在394 nm的激发波长下,均在614 nm和702 nm处出现了强发射峰,分别对应于Eu~(3+)的~5D_0→~7F_2和~5D_0→~7F_4跃迁,属红光发射。通过比较不同煅烧温度处理后样品的发光强度,当煅烧温度为1150℃时,Sr_3MgSi_2O_8:Eu~(3+)红色荧光粉的发光强度最大,即得到最佳的煅烧温度为1150℃。2.采用溶胶-凝胶法制备了单一基质可调色荧光粉Sr_(3-x-y)MgSi_2O_8:xEu~(3+),yTb~(3+)(x=0%、1%、2%、4%、6%、8%,y=0%、0.5%、1%、2%、4%、6%、8%)。研究了Eu~(3+)、Tb~(3+)的掺杂浓度与发光性能的关系,发现Tb~(3+)对Eu~(3+)的发光具有敏化作用,而Eu~(3+)对Tb~(3+)的发光具有削弱作用,即存在Tb~(3+)→Eu~(3+)的单向能量传递。通过荧光寿命曲线方程拟合计算得到Sr_(2.9)MgSi_2O_8:8%Eu~(3+),2%Tb~(3+)中Tb~(3+)→Eu~(3+)能量传递效率达35.98%。通过Forster-Dexter理论,研究了Tb~(3+)→Eu~(3+)的能量传递作用机制,发现其是通过电偶极-电偶极相互作用来实现能量传递的。其中,Sr_(2.95)MgSi_2O_8:3%Eu~(3+),2%Tb~(3+)荧光粉的热活化能Ea值为0.309 eV,表现出很好的热稳定性。3.采用溶胶-凝胶法制备了Tb~(3+)、Ce~(3+)共掺杂颜色可调的Ba_3MgSi_2O_8:xCe~(3+),yTb~(3+)荧光粉,研究了Tb~(3+)、Ce~(3+)离子掺杂浓度与其发光性能的关系。得到Tb~(3+)的最佳掺杂浓度为8%。随着Ce~(3+)浓度的增大,荧光粉Ba_(2.94-x)MgSi_2O_8:xCe~(3+),6%Tb~(3+)中与Tb~(3+)相对应的发射峰(544nm)先增大后减小,当Ce~(3+)的掺杂浓度为8%时,Tb~(3+)的发光强度最强;而在荧光粉Ba_(2.92-y)MgSi_2O_8:8%Ce~(3+),yTb~(3+)中,随着Tb~(3+)掺杂浓度的增大,与Ce~(3+)对应的发射峰值416 nm逐渐减小。即在荧光粉Ba_3MgSi_2O_8:xCe~(3+),yTb~(3+)中,存在Ce~(3+)→Tb~(3+)的能量传递。同时,通过荧光寿命曲线方程拟合计算得到Ba_(2.84)MgSi_2O_8:8%Tb~(3+),8%Ce~(3+)荧光粉中Ce~(3+)→Tb~(3+)能量传递效率达34.64%。研究了Ce~(3+)→Tb~(3+)的能量传递作用机制,发现其是通过相互交换作用来实现能量传递。荧光粉Ba_(2.84)MgSi_2O_8:8%Tb~(3+),8%Ce~(3+)的热活化能Ea值为0.113 eV。以上研究结果表明,通过选择合适的稀土离子和优化制备过程中的煅烧温度及其他工艺条件可以提升荧光粉的发光性能。同时,本文制备出来的三种荧光粉中,Sr_(3-x-y)MgSi_2O_8:xEu~(3+),yTb~(3+)荧光粉不仅颜色可调,并且热稳定性好,相比于其他两种荧光粉,Sr_(3-x-y)MgSi_2O_8:xEu~(3+),yTb~(3+)荧光粉最具有应用价值。
【学位授予单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ422;O482.31
【图文】：

照片,煅烧温度,扫描电子显微镜,照片

胶法合成 Sr3MgSi2O8:Eu3+红色荧光粉及其发光性是在经过 950 ℃，1050 ℃，1150 ℃和 1描电子显微镜（SEM）照片；由图可知 9大小不一，团聚明显，在大块状表面存在特殊的珊瑚状，造粒明显，表面较致密粒径更小；1150 ℃煅烧 4 h 后的样品表面，同时无规则块状颗粒变小，大约 300 nm结晶性好；1250 ℃煅烧 4 h 后的样品表面规则细小颗粒，结晶性减弱。这与 XRD 是 1150 ℃，当温度过高时，会破坏其结

荧光粉

4%y=2%y=1%y=0.5%y=0%Wavelength(nm)PDF#10-0075图 4.1 荧光粉 Sr2.97-yMgSi2O8:3%Eu3+,yTb3+(y=0,0.5%,1%,2%,4%)的 XRD 谱图4.2.2 形貌分析图 4.2(a)为 Sr2.95MgSi2O8:3%Eu3+,2%Tb3+荧光粉的扫描电镜能谱图(EDS)，从能谱图中可以看出，样品含有 Sr，Mg，Si，O，Eu 和 Tb 元素，并且没发现其他杂质元素。同时，由扫描电镜照片(b)可以看出样品存在大量小颗粒，团聚明显，表面较光滑，结晶性较好。由 EDS 测试元素的区域照片可以知道所有元素都均匀的分布于样品中

色坐标,样品,荧光粉,可调

四章溶胶-凝胶法制备单一基质可调色荧光光粉 Sr3MgSi2O8:Eu3+,Tb3+及其发光性能的研究粉的色坐标是样品 Sr3-x-yMgSi2O8:xEu3+，yTb3+(x=0%，3%；y=0%-8%)的色坐标图。，通过调节杂质离子 Eu3+，Tb3+的掺杂浓度，荧光粉的发光颜色可从红光，再到绿光；其相应的色坐标如下表 4.8 所示。表i2O8:xEu3+,yTb3+(x=0%，3%；y=0%-8%)荧光粉是一种单一基质可调色荧光D 灯及照明显示领域具有重要的应用价值。

【参考文献】