黎云云, 鄧陶麗，張秋云, 陳 雪

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稀土摻雜鈣鈦礦熒光粉YAlO3:Gd3+,Sb3+的制備與發(fā)光性能表征

黎云云, 鄧陶麗*，張秋云, 陳 雪

(安順學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院, 貴州 安順 561000)

采用高溫固相法合成了鈣鈦礦(YAlO3:Gd3+/Sb3+)熒光粉體，并使用熒光光譜儀對(duì)熒光粉體(YAlO3:Gd3+/Sb3+)發(fā)光性能進(jìn)行表征。結(jié)果表明：使用高溫固相法能夠得到分散均勻的，顆粒大小一致的熒光粉。在254 nm波長(zhǎng)激發(fā)下，摻雜Gd3+/Sb3+的YAlO3熒光粉體系得到425 nm 左右（紫光）寬帶發(fā)射光譜，且藍(lán)光強(qiáng)度隨Gd3+與Sb3+的摻雜濃度增加先升高后降低，最后，通過(guò)在254 nm與274 nm激發(fā)下比較熒光粉體(YAlO3:Gd3+/Sb3+)發(fā)光性能的差異，對(duì)其能量傳遞機(jī)制進(jìn)行了可能性分析。

YAlO3熒光粉；發(fā)光材料；稀土離子

近年來(lái)，稀土摻雜無(wú)機(jī)納米發(fā)光材料的研究引起了人們極大的關(guān)注，這主要因?yàn)槿齼r(jià)的稀土離子存在壽命較長(zhǎng)的多能級(jí)，可以通過(guò)不同的稀土摻雜無(wú)機(jī)熒光粉實(shí)現(xiàn)把253.7 nm的汞輻射轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌ㄩL(zhǎng)范圍的紫外線或可見(jiàn)光進(jìn)而被有效利用[1-2]。

無(wú)機(jī)發(fā)光材料主要由基質(zhì)材料體系以及摻雜到基質(zhì)材料中的少量激活劑離子組成?；|(zhì)材料中由于氧化物如Gd2O3、La2O3等[3-4]，具有較好的熱穩(wěn)定性，較強(qiáng)的機(jī)械性能，環(huán)境友好，以及種類繁多，成為無(wú)機(jī)發(fā)光的研究重點(diǎn)。近年來(lái)涌現(xiàn)的各種復(fù)合型氧化物如Y3Al5O12，Gd4.67Si3O13等也都表現(xiàn)出了非常優(yōu)異的發(fā)光性能[5-7]。本文選用Y2O3-Al2O3復(fù)合氧化物鈣鈦礦結(jié)構(gòu)YAlO3為熒光粉的基質(zhì)材料，基于YAlO3為熒光粉的基質(zhì)材料的研究也有相關(guān)報(bào)道[8]，但據(jù)我們所知，目前關(guān)于固相法制備以Gd3+共摻雜Sb3+的YAlO3熒光粉的報(bào)道還比較少。YAlO3(YAP)是一種鈣鈦礦型復(fù)合氧化物，呈正交晶系，空間群為Pbnm，具有較低的聲子能量，穩(wěn)定性強(qiáng)，擁有優(yōu)良的光性能和機(jī)械性能，能夠作為合適的無(wú)機(jī)發(fā)光材料基質(zhì)。

固相反應(yīng)法是一種傳統(tǒng)的粉體制備方法。具體是將合成粉體所需的固體原料混合、研磨均勻，然后放入坩堝中，置于高溫爐并于一定溫度下進(jìn)行煅燒，再自然冷卻至室溫，破碎后即得到所需的熒光粉體。此方法的優(yōu)點(diǎn)是制備過(guò)程簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，反應(yīng)條件容易控制，原子利用率高，且工藝比較成熟，易與工業(yè)化生產(chǎn)。用固相反應(yīng)法制備上轉(zhuǎn)換無(wú)機(jī)發(fā)光材料的報(bào)道較多，一般作為一種簡(jiǎn)便有效的方法制備熒光粉體來(lái)研究上轉(zhuǎn)換發(fā)光機(jī)理，如Marcin Kaczkan等[9]合成的YbAG:Er3+熒光粉及對(duì)Er，Yb之間能量傳遞的探討即用該法。因此本文用傳統(tǒng)的固相反應(yīng)法制備了鈣鈦礦(YAlO3:Gd3+/Sb3+)納米熒光粉體，并研究該熒光粉在254 nm波長(zhǎng)激發(fā)下的發(fā)光性能。最后，通過(guò)在254 nm與274nm激發(fā)下比較熒光粉體(YAlO3:Gd3+/Sb3+)發(fā)光性能的差異，對(duì)其能量傳遞機(jī)制進(jìn)行了可能性分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑及儀器

Gd2O3(99.9%)，Y2O3(99.9%)，Sb2O3(99.9%)，Al2O3(99.9%)，熒光光譜測(cè)試儀，型號(hào)PE LS55。

1.2 熒光粉體的制備

熒光粉體Y1--AlO3: Gd3+, Sb3+（=0.14, 0.16, 0.18, 0.20;=0.03,0.05,0.07,0.09）通過(guò)高溫固相法制備。首先按化學(xué)計(jì)量比稱Gd2O3(99.9%), Y2O3(99.9%), Sb2O3(99.9%), Al2O3(99.9%)，混合加入研缽中持續(xù)研磨3 h得到前驅(qū)體，最后將前驅(qū)體在1 200 ℃溫度下煅燒6 h，得到(YAlO3:Gd3+/Sb3+)熒光粉體。

樣品在254 nm與274 nm激發(fā)下發(fā)射光譜與發(fā)射光譜相對(duì)強(qiáng)度測(cè)試采用美國(guó)PE公司的熒光光譜測(cè)試儀，型號(hào)PE LS55。

2 結(jié)果與討論

2.1 熒光粉YAlO3:x%Gd3+, 0.05%Sb3+發(fā)光性能研究

圖1為不同Gd3+濃度摻雜的YAlO3:%Gd3+, 0.05%Sb3+樣品在254 nm波長(zhǎng)激發(fā)下的發(fā)射光譜圖，從圖中可知，所有不同Gd3+濃度摻雜的樣品在254 nm波長(zhǎng)激發(fā)下均出現(xiàn)425 nm左右的紫光寬帶發(fā)射峰。并由圖2可知，隨著Gd3+摻雜濃度增加，樣品的發(fā)光強(qiáng)度先得到顯著的提高，后因?yàn)镚d3+離子濃度的進(jìn)一步增加導(dǎo)致發(fā)光猝滅[10]。在本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，YAlO3:% Gd3+, 0.05% Sb3+樣品中Gd3+最佳摻雜濃度為=0.16。

圖1 樣品(YAlO3: x% Gd3+, 0.05% Sb3+) 的發(fā)射光譜圖(激發(fā)波長(zhǎng)254 nm)

圖2 樣品(YAlO3: x% Gd3+, 0.05% Sb3+) 隨Gd3+摻雜濃度改變的相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度圖(激發(fā)波長(zhǎng)254 nm)

2.2 熒光粉YAlO3:0.16%Gd3+, y% Sb3+發(fā)光性能研究

圖3為不同Sb3+濃度摻雜的YAlO3: 0.16% Gd3+,% Sb3+樣品在254 nm波長(zhǎng)激發(fā)下的發(fā)射光譜圖，從圖中可知，所有不同Sb3+濃度摻雜的樣品在254 nm波長(zhǎng)激發(fā)下也均出現(xiàn)425 nm左右的紫光寬帶發(fā)射峰。并由圖4可知，隨著Sb3+摻雜濃度增加，樣品的發(fā)光強(qiáng)度先得到顯著的提高，后因?yàn)镾b3+離子濃度的進(jìn)一步增加導(dǎo)致發(fā)光猝滅。在本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，YAlO3: 0.16% Gd3+,% Sb3+樣品中Sb3+最佳摻雜濃度為=0.05。

圖3 樣品(YAlO3:0.16% Gd3+, y% Sb3+) 的發(fā)射光譜圖(激發(fā)波長(zhǎng)254 nm)

圖4 樣品(YAlO3: 0.16% Gd3+, y% Sb3+) 隨Sb3+摻雜濃度改變的相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度圖(激發(fā)波長(zhǎng)254 nm)

2.3 能量傳遞推測(cè)

圖5 樣品(YAlO3: Gd3+, Sb3+) 分別在254 nm與274 nm激發(fā)下的發(fā)射光譜圖

圖5為樣品YAlO3: Gd3+, Sb3+分別在254 nm與274 nm激發(fā)下的發(fā)射光譜圖，由圖中可知，在254 nm與274 nm激發(fā)下，樣品YAlO3: Gd3+, Sb3+均在425 nm出現(xiàn)發(fā)射峰，但是在254 nm激發(fā)下得到的發(fā)射峰要明顯高于274 nm激發(fā)下得到的同位置發(fā)射峰。之前的研究可知，在熒光粉YPO4: Gd3+, Sb3+中Gd3+離子作為發(fā)光離子，在274 nm激發(fā)下得到312 nm左右的中波紫外光；而樣品YPO4: Gd3+, Sb3+中Sb3+離子作為激活劑，在257.3 nm激發(fā)下得到300 nm以及420 nm左右的寬帶發(fā)射峰，二者之間存在激發(fā)光波長(zhǎng)與發(fā)射光波長(zhǎng)的有效覆蓋，因而能夠進(jìn)行有效的能量傳遞[11]。而本文中制備的樣品YAlO3: Gd3+, Sb3+在254 nm與274 nm激發(fā)下均在425 nm出現(xiàn)發(fā)射峰，說(shuō)明是其中的Sb3+離子發(fā)光，在254 nm激發(fā)下，Sb3+離子得到425 nm的紫光寬帶發(fā)射峰，但并沒(méi)有檢測(cè)到Gd3+離子的312 nm中波紫外發(fā)射峰，這說(shuō)明Sb3+離子沒(méi)有將能量有效地傳遞給Gd3+離子。有兩種原因?qū)е逻@樣的結(jié)果：第一，根據(jù)Blasse's理論[12]，推測(cè)二者離子之間的有效能量傳遞距離Rc超出了5~8 ?的范圍，因而無(wú)法進(jìn)行有效的能量傳遞；第二，Gd3+離子沒(méi)有較好的摻雜進(jìn)入YAlO3晶格中，從而導(dǎo)致能量損耗而發(fā)光失效。

3 結(jié)論

本文采用高溫固相法制備熒光粉YAlO3: Gd3+, Sb3+體系。在254 nm波長(zhǎng)激發(fā)下，摻雜Gd3+/Sb3+的YAlO3熒光粉體系得到425 nm 左右（紫光）寬帶發(fā)射光譜，且紫光強(qiáng)度隨Gd3+與Sb3+的摻雜濃度增加先升高后降低，最后，通過(guò)在254 nm與274 nm激發(fā)下比較熒光粉體(YAlO3:Gd3+/Sb3+)發(fā)光性能的差異，對(duì)其能量傳遞機(jī)制進(jìn)行了可能性分析。

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Preparation and Photoluminescence Properties of YAlO3:Gd3+,Sb3+

(School of Chemistry and Chemical Engineering, Anshun University, Guizhou Anshun 561000，China)

The perovskite phosphor YAlO3:Gd3+/Sb3+was synthesized by conventional high-temperature solid-state method. Photoluminescence(PL) of the phosphor was investigated byusing fluorescence spectrometer. The results show that an uniform distribution phosphor YAlO3:Gd3+/Sb3+can be prepared byhigh-temperature solid-state method gave. Under 254 nm excitation, the co-doped phosphor YAlO3:Gd3+/Sb3+canshow wide emission at a wavelength of 524 nm (purple light),its intensity increasesfirst and then decreases with the increase of doping concentrations of Gd3+and Sb3+ions. In the end, the possible energy transfer mechanism of the PL was explained through comparing the PL difference under 254 nm and 274nm excitation.

YAlO3phosphor; photoluminescence; rare earth ion

2017-03-28

黎云云(1996-)，女，2015級(jí)化學(xué)專業(yè)。

鄧陶麗(1989-)，女，土家族，講師，碩士，主要從事稀土發(fā)光材料研究。

2016年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（20160667033）;貴州省科技計(jì)劃項(xiàng)目（黔科合LH字[2016]7271號(hào)）; 貴州省教育廳青年科技人才成長(zhǎng)項(xiàng)目（黔教合KY字[2016]273）；2015年貴州省教育廳本科教學(xué)工程建設(shè)項(xiàng)目(2015SJJG003)。

TQ 028

A

1004-0935（2017）05-0420-03