Ba3InB9O18基/MgNb2O6基稀土掺杂发光材料制备及发光机理研究

摘要

随着照明和显示领域的蓬勃发展，稀土掺杂的固体发光材料也渐渐成为研究光致发光的热点材料。作为学科的基础研究，致力于研究新型的功能性化合物，探索其发光机理和独特的发光现象。 由于硼氧基团的多样性为硼酸盐呈现了丰富的结构类型，同时也适配了绝大多数金属阳离子，加之其温和简易的合成方法和稳定的物理化学性质，使得硼酸盐基成为了研究稀土发光材料的热点体系之一。而铌酸盐，则具有优良的压电、铁电、电光和光折射等特殊的物理化学性质，被广泛用于各类光电材料，其中MNb2O6(M为二价阳离子)同构的铌酸盐由于本身的NbO6八面体可以充当发光中心，在发光材料领域有着比较重要的研究价值。 为寻找新型光致发光材料，本文通过高温固相合成法首次合成了Eu3+、Tb3+双掺的Ba3InB9O18多晶化合物和Dy3+、Tm3+单掺双掺MgNb2O6荧光粉，并通过X射线衍射图谱测试、Rietveld结构精修、紫外和真空紫外的环境下的荧光激发光谱和发射光谱、高低温变温荧光光谱、荧光寿命衰减曲线以及色度图以及等测试和表征手段系统地对该两体系荧光粉的发光特性、发光机理以及晶体结构进行了一系列的研究。 制备出纯相之后，对Ba3InB9O18∶ Eu3+/Tb3+双掺样品使用Rietveld方法进行了结构精修，证明了Eu3+/Tb3+的掺杂不改变原有晶格结构且得到了一系列晶胞参数。也尝试进行了比较稀土离子在不同占位的对比实验，得知Eu3+/Tb3+倾向于占单一位置的In3+位。Eu3+和Tb3+单掺Ba3InB9O18样品可以分别呈现强烈的红光和绿光发射，本论文对Eu3+/Tb3+双掺的浓度与发光强度的关系进行了一系列的研究，并在紫外和真空紫外分别记录了样品在对应不同发光中心的激发和发射的荧光光谱，以及在室温到25 K的真空紫外的低温变温测试。在掺杂浓度与发光强度的分析以及同组样品Eu3+和Tb3+的荧光寿命测试结果可以得出Tb3+和Eu3+之间存在能量传递的现象，并通过能级示意图对双掺样品的发光过程进行了分析讨论。另外，通过改变掺杂离子的比例和激发波长，Ba3InB9O18∶ Eu3+/Tb3+双掺荧光粉的发射颜色可以在绿色、黄色以及红色区域适当调整，说明该样品在调色功能以及平板显示和照明领域具有重要的研究价值。 在MgNb2O6∶ Dy3+/Tm3+单、双掺体系的研究中，对比了MgNb2O6基质、Dy3+/Tm3+单、双掺样品在紫外和真空紫外下的荧光光谱。其中，由于NbO6八面体基团中心的Nb原子和O配体间的电荷转移，MgNb2O6基质在350-600 nm的宽带发射的青色光，且在低温下发射更强烈。而Dy3+/Tm3+单掺样品分别发射出黄色和蓝色的光，且Dy3+和Tm3+的掺杂猝灭浓度分别在4.5％ mol和3％ mol，在Dy3+浓度为4.5％ mol时加入Tm3+，可以使得发射光从淡黄色光向暖黄光和暖白光方向偏移。该基质双掺样品在高温下表现出热猝灭现象，但色度却偏向白光区。根据分析光谱重叠，以及随掺杂离子浓度增加，激活剂的特征发射的平均衰减时间减小的规律，证明在基质和激活剂之间存在能量传递的现象。鉴于物理化学性质的稳定性，合适的激发、发射波长范围和足够的发光强度，自激活MgNb206∶Dy3+/Tm3+体系的荧光粉对于固态照明领域应用的研究有着重要的意义。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 稀土发光材料概述

1．2．1 稀土发光材料简介

1．2．2 稀土发光材料国内外研究现状及应用

1．2．3 稀土离子的发光特点和相关理论

1．2．4 基质和掺杂离子对发光的影响

1．3 稀土硼酸盐发光材料

1．4 稀土铌酸盐发光材料

1．5 本文研究目的、研究内容

2 实验方法及原理

2．1 实验试剂与仪器

2．1．1 实验试剂

2．1．2 实验仪器

2．2 样品制备

2．2．1 样品制备方法

2．2．2 样品配比计算

2．2．3 样品制备工艺流程

2．3 样品的测试与表征

2．3．1 X射线衍射分析(XRD)

2．3．2 Rietveld精修

2．3．3 紫外与真空紫外荧光激发(PLE)与发射光谱(PL)

2．3．4 荧光寿命

2．3．5 色度坐标(CIE)

3 Ba3InB9O18：Eu3+／Tb3+荧光粉的晶体结构与占位分析

3．1 引言

3．2．2 Ba3InB9O18：Eu3+／Tb3+结构精修

3．3 Ba3InB9O18：Eu3+／Tb3+的古位对比试验

3．3．1 Eu3+／Tb3+在Ba3InB9O18中占In3+位和占Ba2+对比

3．3．2 电荷补偿剂K+对发光性能的影响

3．4 小结

4 Ba3InB9O18：Eu3+／Tb3+荧光粉的发光特性的研究

4．1 引言

4．2．2 Ba3InB9O18：Eu3+／Tb3+单掺体系的发光特性

4．2．3 Ba3InB9O18：Eu3+／Tb3+双掺体系在紫外激发的发光特性

4．2．4 Ba3InB9O18：Eu3+／Tb3+双掺体系在真空紫外激发的发光特性

4．2．5 Ba3InB9O18：Eu3+／Tb3+双掺体系发光机理的研究

4．3 Ba3InB9O18：Eu3+／Tb3+的实用性评估

4．3．2 Ba3InB9O18：Eu3+／Tb3+双掺体系的荧光寿命

4．3．3 Ba3InB9O18：Eu3+／Tb3+双掺体系的色度图

4．4 小结

5 MgNb2O6：Dy3+／Tm3+荧光粉的发光特性的研究

5．1 引言

5．2．1 MgNb2O6基质的发光特性

5．2．2 MgNb2O6：Dy3+／Tm3+单掺体系的发光特性

5．2．3 MgNb2O6：Dy3+／Tm3+双掺体系的发光特性

5．2．4 MgNb2O6：Dy3+／Tm3+体系发光机理的研究

5．3 MgNb2O6：Dy3+／Tm3+的实用性评估

5．3．3 MgNb2O6：Dy3+／Tm3+体系的色度图

5．5 小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

6．3 创新点

参考文献

攻读学位期间的主要学术成果

致谢