稀土离子掺杂磷酸盐发光材料的制备及性能研究

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磷酸盐发光材料具有物化性质稳定、原料价格低廉、制备条件温和等优点,在照明和显示领域有广泛的应用前景。作为下一代绿色照明光源,高效、节能的白光LED备受人们的关注,目前商业化的白光LED是通过蓝光芯片和Y3Al5O12:Ce3+荧光粉组合产生白光。但这种方式得到的白光LED由于缺乏绿光和红光,导致其显色指数偏低,从而限制了其广泛应用。相比之下,紫外或近紫外芯片与三基色(红、绿、蓝)荧光粉组合得到的白光LED可以解决上述问题。因此,开发新型单色或单相多色荧光粉具有非常重要的理论意义和实际应用价值。为了满足紫外或近紫外光激发转换白光LED荧光材料的需求,本论文以具有磷灰石和白磷钙矿结构的磷酸盐为基质,以稀土或过渡金属离子为掺杂离子。利用高温固相法制备了系列红、绿、蓝荧光粉,并通过X-射线粉末衍射、扫描电镜、荧光光谱仪等仪器设备对样品进行表征,系统研究了样品的物相组成、微观形貌和荧光光谱,并对掺杂离子之间的能量传递机理进行了深入探讨。主要研究内容如下:(1)通过高温固相法制备了具有磷灰石结构的Ca3Na Gd(PO4)3F:Ce3+,Tb3+/Mn2+系列荧光粉,研究了离子掺杂浓度以及Ce3+-Tb3+和Ce3+-Mn2+之间的能量传递机理。通过荧光光谱和荧光寿命测试证实Ce3+→Tb3+、Ce3+→Mn2+之间发生能量传递的机制分别为四极-四极和偶极-偶极相互作用,并且通过调节Tb3+、Mn2+离子在共掺杂样品中的掺杂浓度实现了样品发光颜色的可控化。(2)设计和制备了一系列具有磷灰石结构的Ca8Na Gd(PO4)6F2:Ce3+,Tb3+荧光粉,利用XRD和结构精修研究了Ce3+、Tb3+在Ca8Na Gd(PO4)6F2基质晶格中的占位情况。通过调节Tb3+离子在共掺杂样品中的掺杂浓度,样品的发光颜色可由蓝光转变为绿光,通过分析样品的荧光寿命衰减曲线、计算掺杂离子之间的临界距离等手段进一步分析了Ce3+-Tb3+之间的能量传递机制。此外,将细菌纤维素与该荧光粉复合制成了具有荧光防伪功能的纸张,并研究了其形貌和发光特性。(3)设计和制备了具有氟磷灰石结构的Sr3Gd Li(PO4)3F:Tb3+,Eu3+和Sr3Gd Li(PO4)3F:Ce3+,Tb3+荧光粉,研究了稀土离子掺杂浓度、荧光热稳定性等因素对样品发光性能的影响。荧光光谱测试结果表明Tb3+→Eu3+、Ce3+→Tb3+之间存在能量传递,通过调节Eu3+、Tb3+在共掺杂样品中的掺杂浓度实现了样品发光颜色的可控化,同时样品表现出良好的荧光热稳定性。(4)设计和制备了具有白磷钙矿结构的红色荧光粉Ca8Mg Bi(PO4)7:Eu3+和绿色荧光粉Ca8Mg Bi(PO4)7:Ce3+,Tb3+,研究了样品的物相组成、稀土离子掺杂浓度和发光机理。通过调节Tb3+离子在Ca8Mg Bi(PO4)7:Ce3+,Tb3+中的掺杂浓度,可将样品的发光颜色从蓝光调控到绿光,这可归因于Ce3+→Tb3+离子的能量传递,经计算其能量传递效率最大可达到80.98%。
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