陳 茜 史元元 陳寧遠(yuǎn) 趙君風(fēng) 榮春英 余麗萍 廉世勛

(湖南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，化學(xué)生物學(xué)及中藥分析教育部重點實驗室；資源精細(xì)化與先進(jìn)材料湖南省高校重點實驗室，長沙 410081)

Sr2MgSi2O7∶Tb3+，Li+熒光粉的合成和發(fā)光機理

陳 茜 史元元 陳寧遠(yuǎn) 趙君風(fēng) 榮春英 余麗萍 廉世勛＊

(湖南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，化學(xué)生物學(xué)及中藥分析教育部重點實驗室；資源精細(xì)化與先進(jìn)材料湖南省高校重點實驗室，長沙 410081)

采用高溫固相法合成Sr2-mMg1-nSi2O7∶mTb3+，nLi+(m=0.03～0.50，n=m)系列熒光粉。使用X射線衍射儀和熒光光譜儀對樣品的物相和發(fā)光性質(zhì)進(jìn)行了表征。在377 nm紫外光激發(fā)下，熒光粉的發(fā)射光譜呈多譜帶發(fā)射，主峰位于490 nm，542 nm，590 nm和613 nm處，分別對應(yīng)于Tb3+的5D4→7FJ(J=6，5，4，3)躍遷發(fā)射。調(diào)節(jié)Tb3+離子摻雜濃度，可實現(xiàn)熒光粉的發(fā)光顏色從藍(lán)到白、黃、綠的可調(diào)發(fā)射；名義組成為Sr1.95Mg0.95Si2O7∶0.05Tb3+，0.05Li+的熒光粉在紫外光(377 nm)激發(fā)下發(fā)白光，其色坐標(biāo)(0.322，0.317)接近純白光(0.33，0.33)，是一種潛在的LED用單基質(zhì)白光熒光粉。

Sr2MgSi2O7∶Tb3+；紫外光激發(fā)；LED；白光熒光粉

與傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈相比，白光LED具有節(jié)能、壽命長、高亮度及環(huán)保無污染等優(yōu)點，可用于照明、顯示等領(lǐng)域。1993年日本日亞化學(xué)公司首先在藍(lán)光GaN發(fā)光二極管上取得技術(shù)突破[1]，并于1996年采用光轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)了白光LED。目前，白光LED的實現(xiàn)方法有光轉(zhuǎn)換型和芯片組合型。從工藝、成本及技術(shù)現(xiàn)狀等因素考慮，光轉(zhuǎn)換法優(yōu)于芯片組合法。

光轉(zhuǎn)換法是指通過在近紫外或藍(lán)光LED芯片上涂覆具有光致發(fā)光性能的熒光粉來實現(xiàn)白光。根據(jù)芯片的不同，光轉(zhuǎn)換法又有兩種方式：一種是藍(lán)光芯片加黃色熒光粉InGaN/Y3Al5O12∶Ce3+(YAG∶Ce)[2]，另一種是紫外芯片涂覆單一白色[3-5]或三基色熒光粉[6]。由于YAG∶Ce體系缺乏紅光導(dǎo)致顯色性不高、三基色熒光粉之間存在顏色再吸收和配比調(diào)控困難等問題[7]，紫外芯片激發(fā)的單一基質(zhì)白光熒光粉引起了廣泛關(guān)注。近年來，國內(nèi)外對紫外或近紫外激發(fā)的全色單一基質(zhì)熒光粉的研究很多，并且取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。例如，堿土磷灰石M5(PO4)3Clx∶Eu2+(M=Ca，Sr，Ba)，銦酸鹽CaIn2O4∶Eu3+，硫化物( Ca1+x-yEuy)Ga2S4+x，硅酸鹽Li2SrSiO4∶Eu2+，Ce3+、Sr2SiO4∶Eu2+、Ba3MgSi2O8∶Eu2+，Mn2+、Sr2MgSiO5∶Eu2+、Ca2SiO3Cl2∶Eu2+，Mn2+、Ca2-x-yAl2SiO7∶Ce3+，Tb3+等[8-15]。 但是，以Sr2MgSi2O7為基質(zhì)的白光發(fā)射熒光粉還未見報道。我們發(fā)現(xiàn)Tb3+摻雜Sr2MgSi2O7可以獲得白光現(xiàn)象，本文報道了Sr2MgSi2O7∶Tb3+熒光粉的合成和發(fā)光性質(zhì)，并對白色發(fā)光機理進(jìn)行了討論。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

所用試劑SrCO3，MgO，LiNO3和H2SiO3均為分析純，Tb4O7的純度為99.99%。日本理學(xué) D/max-2500型X射線衍射儀 (Cu靶，40 kV，300 mA)，F(xiàn)-4500熒光分光光度計(150 W氙燈光源，R928型號光電倍增管，電壓400 V，濾光片為UV390)。

1.2 實驗過程

按照化學(xué)式Sr2-mMg1-nSi2O7∶mTb3+，nLi+(m=0.03～0.50，n=m)的計量比合成系列熒光粉。準(zhǔn)確稱取原料 SrCO3(AR)，MgO(AR)，H2SiO3(AR)，LiNO3(AR)和Tb4O7(99.99%)，置于瑪瑙研缽中充分研磨均勻，并裝入氧化鋁坩堝，置于箱式爐中在1 200℃灼燒6 h。自然冷卻至室溫，取出后研磨即得熒光粉樣品。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)表征

圖1為合成樣品的X射線衍射圖。衍射峰與Sr2MgSi2O7標(biāo)準(zhǔn)卡片(PDF No.75-1736)一致，表明合成樣品均為純相，屬于四方晶系，空間群為P421m (No.113)。這表明 Tb3+和 Li+離子的加入并未對Sr2MgSi2O7晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

圖1 樣品Sr2-mMg1-nSi2O7∶mTb3+,nLi+(m=0.03～0.50,n=m)的XRD圖Fig.1 XRD patterns of Sr2-mMg1-nSi2O7∶mTb3+,nLi+(m= 0.03～0.50,n=m)samples

2.2 Sr2-mMg1-nSi2O7∶mTb3+,nLi+的光譜特性

圖 2(a)是 Sr2-mMg1-nSi2O7∶mTb3+，nLi+(m=0.03～0.50，n=m；簡寫成SMS∶Tb3+，Li+)系列樣品在377 nm激發(fā)下的發(fā)射光譜。發(fā)射光譜表明Tb3+在SMS基質(zhì)中呈現(xiàn)多譜帶發(fā)射，490 nm、542 nm、590 nm和613 nm 發(fā)射峰分別對應(yīng)于 Tb3+離子5D4→7FJ(J= 6，5，4，3)躍遷。圖2(b)列出了490 nm、542 nm、590 nm和613 nm處發(fā)射峰強度與Tb3+離子摻雜濃度變化的關(guān)系。由圖2(b)可知，Tb3+離子濃度變化不改變樣品的發(fā)射光譜分布，但影響了紅、綠和藍(lán)光的相對發(fā)光強度，紅光和綠光強度變化顯著，紅光和綠光發(fā)射強度比值(R/G)見圖2(c)。隨著Tb3+離子濃度增加，R/G值呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。當(dāng)m=0.05時，紅、綠光強度相近，R/G值等于0.88。增大Tb3+離子濃度m=0.10，此時紅光強度增大至綠光的2倍，R/G值達(dá)到最大為2.34，但紅、綠光均未達(dá)到最強。繼續(xù)增大Tb3+離子濃度m=0.20，紅、綠光強度達(dá)到最高且強度相當(dāng)，R/G值降低近似等于1。當(dāng)Tb3+離子濃度大于0.30時，紅光強度逐漸降低，綠光顯著增強，R/G值小于1。

根據(jù)圖2(a)發(fā)射光譜數(shù)據(jù),采用色坐標(biāo)軟件CIE計算了SMS∶mTb3+系列樣品的色坐標(biāo)，結(jié)果如表1所示。由表1可知，在377 nm紫外光激發(fā)下，樣品的色坐標(biāo)隨Tb3+離子濃度的變化而變化。其色坐標(biāo)如圖3所示，隨Tb3+離子摻雜濃度逐漸增大，熒光粉發(fā)光顏色從藍(lán)到白、到黃、再到綠變化，顏色可調(diào)。點b、c和e分別對應(yīng)于樣品S2、S3、和S5，色坐標(biāo)均落在白光區(qū)，且樣品S2(m=0.05)的色坐標(biāo) (0.322，0.317)與1931年國際照明委員會給出的純白光色坐標(biāo)W(0.33，0.33)接近。

圖2 377 nm激發(fā)下，Sr2-mMg1-nSi2O7∶mTb3+,nLi+(m=0.03～0.50,n=m)的發(fā)射光譜(a)、Tb3+離子濃度與樣品發(fā)光強度(b)和R/G比值(c)的關(guān)系Fig.2 Emission spectra for Sr2-mMg1-nSi2O7∶mTb3+,nLi+(m= 0.03～0.50,n=m) (a)Relationship between the emission intensities of Sr2-mMg1-nSi2O7∶mTb3+,nLi+ (m=0.03～0.50,n=m)samples and the Tb3+ concentration(b)and the relationship between the concentration of Tb3+and R/G value of Tb3+under excitation at 377 nm(c)

2.3 Tb3+和Eu3+在Sr2MgSi2O7中發(fā)光性質(zhì)的差異

在377 nm紫外光激發(fā)下，SMS∶0.05Tb3+可同時發(fā)射紅、綠和藍(lán)光并復(fù)合得到白光，其色坐標(biāo)與純白光點接近。一般地，單摻Tb3+離子熒光粉的紅光發(fā)射強度較低，多以藍(lán)光發(fā)射和綠光發(fā)射為主[16-19]。在SMS基質(zhì)中，Tb3+離子的紅光發(fā)射強度與綠光發(fā)射強度相當(dāng)甚至更高。Eu3+離子的特征發(fā)射在590 nm或613 nm處，為排除Eu3+的干擾，我們在同樣的實驗條件下合成了SMS∶0.05Eu3+熒光粉，并研究了其光譜性質(zhì)。圖4是樣品SMS∶0.05Tb3+和SMS∶0.05Eu3+的激發(fā)和發(fā)射光譜。圖4(a)表明，SMS∶0.05Tb3+的激發(fā)光譜由 4f8→4f75d1允許躍遷激發(fā)的寬吸收帶(200～280 nm)、4f→4f電子躍遷吸收帶340～400 nm和484 nm窄吸收帶三部分構(gòu)成，其中377 nm處的激發(fā)峰最強，484 nm處的激發(fā)峰強度略低于377 nm。熒光粉可被紫外光 (350～380 nm)和藍(lán)光(484 nm)有效激發(fā)，但目前缺乏484 nm藍(lán)光LED芯片，所以SMS∶0.05Tb3+是一種適用于UVLED管芯激發(fā)的熒光粉。在377 nm激發(fā)下，發(fā)射光譜如圖4(b)所示。熒光材料呈多峰發(fā)射，4個主要發(fā)射峰分別位于490，542，590和613 nm處，且綠光發(fā)射與紅光發(fā)射強度相當(dāng)。受SMS晶體場的影響，Tb3+離子5D4→7FJ(J=6，5，4，3)躍遷對應(yīng)發(fā)射峰產(chǎn)生劈裂、峰值左右波動。5D4→7F6(489 nm)發(fā)射峰劈裂為485 nm和490 nm 2個尖峰，位于613 nm處的尖峰也是由于5D4→7F3(620 nm)發(fā)射峰劈裂所致。而5D4→7F4(586 nm)躍遷發(fā)射出現(xiàn)了三峰劈裂現(xiàn)象，分別位于576 nm、584 nm和590 nm處。觀察圖4(b)可以發(fā)現(xiàn),紅光區(qū)613 nm處發(fā)射類似于Eu3+離子的5D0→7F2躍遷發(fā)射。與單摻Tb3+離子樣品紅光區(qū)的最高發(fā)射峰相比，單摻Eu3+離子的發(fā)射峰向左偏移，且激發(fā)光譜中397 nm處并未發(fā)現(xiàn)Eu3+離子的特征激發(fā)峰。在377 nm和397 nm紫外光激發(fā)下，SMS∶0.05Eu3+發(fā)射光譜中均未發(fā)現(xiàn)Tb3+離子542 nm特征發(fā)射。結(jié)果表明，SMS∶0.05Tb3+中613 nm處紅光發(fā)射屬于Tb3+離子的躍遷發(fā)射。

表1 Tb3+不同摻雜濃度的樣品色坐標(biāo)Table 1 CIE chromaticity coordinate of Sr2-mMg1-nSi2O7∶mTb3+,nLi+(m=0.03～0.50,n=m)

圖3 377 nm激發(fā)下，Sr2-mMg1-nSi2O7∶mTb3+,nLi+(m=0.03～0.50,n=m)S1～S7樣品的色坐標(biāo)Fig.3 CIE chromaticity diagram for Sr2-mMg1-nSi2O7∶mTb3+, nLi+(m=0.03～0.50,n=m)from S1to S7excited by λex=377 nm Point a,S1;Point b,S2;Point c,S3;Point d,S4;Point e,S5;Point f,S6;Point g,S7

圖4 Sr1.95MgSi2O7∶0.05Tb3+和Sr1.95MgSi2O7∶0.05Eu3+熒光粉的激發(fā)光譜(a)和發(fā)射光譜(b)Fig.4 Excitation spectra(a)and emission spectra(b)of Sr1.95Mg0.95Si2O7∶0.05Tb3+,0.05Li+and Sr1.95Mg0.95Si2O7∶0.05Eu3+,0.05Li+phosphors

2.4 Tb3+在Sr2MgSi2O7中的白色發(fā)光機理

Sr2MgSi2O7和Ca2MgSi2O7晶體結(jié)構(gòu)相似，存在八配位(SrⅠ)格位[20-21]，其晶體結(jié)構(gòu)如圖5所示。當(dāng)半徑較小的Tb3+離子 (0.118 nm)取代Sr2+離子(0.126 nm)格位，晶格產(chǎn)生扭曲，導(dǎo)致Mg-O鍵長發(fā)生變化，基質(zhì)中有可能產(chǎn)生六配位(SrⅡ)格位，并且Tb3+離子將優(yōu)先占據(jù)Sr2+離子的八配位晶體場格位，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)[22-23]。由于Tb3+離子取代Sr2+離子電荷價態(tài)不匹配，對合成材料的發(fā)光性能產(chǎn)生影響，因此，引入Li+離子作為電荷補償劑[24]。圖6是SMS∶0.05Tb3+熒光粉的發(fā)光衰減曲線。如果熒光粉中有一種發(fā)光中心，衰減函數(shù)可以使用一階擬合。若有兩種發(fā)光中心，衰減函數(shù)則使用二階擬合，以此類推[25]。SMS∶0.05Tb3+熒光粉中存在兩種發(fā)光中心，擬合后計算可知Tb3+離子5D4→7F3(613 nm)、5D4→7F4(590 nm)、5D4→7F5(542 nm)和5D4→7F6(490 nm)的衰變壽命τ分別為1.18 ms，1.80 ms，2.75 ms和2.44 ms。根據(jù)衰變壽命τ，可以發(fā)現(xiàn)5D4→7F5(542 nm)衰減時間最長，5D4→7F3(613 nm)衰減時間最短。因此，5D4→7F6,5,4躍遷發(fā)射比5D4→7F3躍遷發(fā)射更易穩(wěn)定存在，這也是大多數(shù)單摻Tb3+離子熒光粉發(fā)藍(lán)綠光的主要原因。

圖5 Sr2MgSi2O7晶胞部分結(jié)構(gòu)Fig.5 A portion of the structure of Sr2MgSi2O7

圖6 Sr1.95MgSi2O7∶0.05Tb3+中Tb3+離子發(fā)光衰減曲線Fig.6 Luminescence decay curves for Tb3+in Sr1.95Mg0.95Si2O7∶0.05Tb3+,0.05Li+

當(dāng)SMS基質(zhì)中摻雜Tb3+離子的物質(zhì)的量百分含量為0.03mol%時，多數(shù)摻雜離子傾向于取代SrⅠ格位形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生5D4→7FJ(J=6，5，4，3)躍遷，主要以藍(lán)、綠光(5D4→7F6,5)發(fā)射為主。在SMS基質(zhì)中，雖然Tb3+離子取代SrⅡ格位幾率較低，但只要占據(jù)SrⅡ格位，就將產(chǎn)生5D4→7F3(613 nm)躍遷，發(fā)射紅光。保持電荷補償劑物質(zhì)的量百分含量不變，增大Tb3+離子的摻雜濃度，材料將產(chǎn)生更多晶格缺陷[26]，分別為帶正電荷的陽離子空穴和帶負(fù)電荷的氧離子空穴。當(dāng)兩種空穴濃度接近，材料可穩(wěn)定存在。隨著Tb3+離子濃度增大，陽離子空穴將逐漸增加。根據(jù)電荷互補原理，材料中也將產(chǎn)生更多的氧空穴[27]，從而提高了Tb3+離子的躍遷發(fā)射幾率，材料發(fā)光強度明顯增強。同時，也增強了Tb3+離子取代Sr2+離子六配位格位幾率，具體表現(xiàn)為5D4→7F3紅光躍遷發(fā)射增強。即Tb3+離子含量增大至0.20mol%，紅綠光強度達(dá)到最強。而繼續(xù)增大Tb3+離子濃度，紅光強度逐漸降低。這是由于激活劑Tb3+離子濃度過高，晶格發(fā)生畸變，導(dǎo)致Tb3+離子取代SrⅡ格位幾率減小，表現(xiàn)為紅光強度減弱。因此，Tb3+離子取代Sr2+離子不同格位幾率是決定材料紅、綠強度比率的關(guān)鍵。也就是說，當(dāng)Tb3+離子濃度為0.05mol%，0.10mol%，0.30mol%，摻雜離子占據(jù)六配位格位和八配位格位幾率相當(dāng)，則紅、綠光強度相近，R/G比值近似等于1，如圖2所示。結(jié)合圖3中點b、c和e的色坐標(biāo)可知，除紅、綠光發(fā)射強度對樣品白光區(qū)色坐標(biāo)位置的影響外，藍(lán)光相對發(fā)射強度也是影響因素之一。

圖7 Tb3+離子能級躍遷機理Fig.7 Schematic energy level diagram of the Tb3+ showing possible energy transfer mechanisms

在Tb3+離子能級中，由于5D3和5D4能級之間的能隙 (～5600 cm-1)與7F6和7F0之間的能隙 (～5800 cm-1)相近，其能級躍遷機理如圖7所示。因此，當(dāng)Tb3+離子摻雜含量大于0.20mol%，高能級發(fā)射將很容易猝滅，產(chǎn)生低能級發(fā)射[17]，激活劑Tb3+離子間發(fā)生交叉弛豫：Tb3+(5D3)+Tb3+(7F6)→Tb3+(5D4)+Tb3+(7F0)。大量Tb3+離子進(jìn)入晶格，晶格扭曲與交叉弛豫同時發(fā)生。SMS∶mTb3+(m=0.20～0.30)中離子間的交叉弛豫強于晶格扭曲效應(yīng)，藍(lán)光強度降低。當(dāng)m＞0.30，晶格扭曲效應(yīng)強于交叉弛豫，藍(lán)光強度小幅度增強。反之，摻雜濃度m＜0.20時，交叉弛豫現(xiàn)象減弱，出現(xiàn)5D3→7FJ(J=5，4，3，2)系列藍(lán)光發(fā)射。即SMS∶0.05Tb3+樣品中，紅光和綠光發(fā)光強度相當(dāng)，混合藍(lán)光產(chǎn)生白光發(fā)射。

3 結(jié) 論

采用高溫固相法制備的Sr2-mMg1-nSi2O7∶mTb3+，nLi+(m=0.03～0.50，n=m)(0.03≤m≤0.50)熒光粉可被紫外光 (350～380 nm)有效激發(fā)，同時發(fā)射藍(lán)綠光(490 nm)、綠光(542 nm)、紅橙光(590 nm)和紅光(613 nm)。隨Tb3+離子摻雜濃度增大，紅光與綠光發(fā)射強度比(R/G)先增大后減小，Tb3+離子取代Sr2+離子不同格位的幾率決定材料紅、綠發(fā)光強度比值。當(dāng)摻雜濃度相對較高(大于0.30)，晶格扭曲效應(yīng)強于交叉弛豫，藍(lán)光強度先降低后增強。發(fā)現(xiàn)Sr1.95Mg0.95Si2O7∶0.05Tb3+，0.05Li+在紫外激發(fā)下發(fā)白光，其色坐標(biāo)(0.322，0.317)與1931年國際照明委員會給出的純白光(0.33，0.33)非常接近，是一種潛在的適用于近紫外芯片的LED用白光熒光材料。

致謝：張漫波副教授(博士)在晶體結(jié)構(gòu)方面提出了有益的建議并幫助繪制了晶胞結(jié)構(gòu)圖。

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Synthesis and Luminescent Mechanism of Sr2MgSi2O7∶Tb3+,Li+Phosphor

CHEN XiSHI Yuan-Yuan CHEN Ning-Yuan ZHAO Jun-Feng RONG Chun-Ying YU Li-Ping LIAN Shi-Xun＊
(Key Laboratory of Chemical Biology&Traditional Chinese Medicine Research(Ministry of Education); Key Laboratory of Resource Fine-Processing and Advanced Materials,Universities of Hunan Province; College of Chemistry and Chemical Engineering,Hunan Normal University,Changsha410081,China)

The phosphors designed as Sr2-mMg1-nSi2O7∶mTb3+,nLi+(m=0.03～0.50,n=m)were prepared by the high temperature solid state reaction.Crystallization and optical properties were investigated by using powder X-ray diffraction and fluorescence spectrophotometer,respectively.Under the excitation of ultraviolet(377 nm),the emission spectra of these phosphors exhibit sharp multi-emission lines peaked at about 490 nm,542 nm,590 nm and 613 nm corresponding to the5D4→7FJ(J=6,5,4,3)typical transitions of Tb3+,respectively.The luminescence color can be tuned from blue to white,yellow and green by adjusting the doping concentration of Tb3+ions.It had been found that the nominal composition Sr1.95Mg0.95Si2O7∶0.05Tb3+,0.05Li+phosphor provides a white emission (0.322,0.317)that is very close to the standard white(x=0.33,y=0.33),which shows that it is a potential singlephased white phosphor for LED-based UV-chip.

Sr2MgSi2O7∶Tb3+;ultraviolet light excitation;LED;white phosphor

O482.31；O614.23+2

A

1001-4861(2012)02-0233-06

2011-07-01。收修改稿日期：2011-09-14。

國家自然科學(xué)基金(No.20971042)，湖南省教育廳重點項目(No.10A070)和國家大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃(No.101054230)資助項目。＊

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