铕掺杂磷酸盐红色荧光粉的合成、表征及其热过程动力学研究

摘要

近几年来，因其具有易合成、低成本、以及在很大的温度范围内具有很高的热化学稳定性的优势，稀土离子掺杂的碱土金属磷酸盐荧光粉被认为是一种重要的、被广泛用于近紫外光激发的、白光LEDs用的荧光粉。由于目前近紫外光激发白光LEDs所用三基色荧光粉中的红光荧光粉不能有效的吸收近紫外光，发光不够强，从而影响白光LEDs的显色性和发光效率，因此，对近紫外光激发的铕掺杂红色荧光粉进行相关的研究，提高红色的色纯及发光强度，对于促进紫外光激发三基色白光LEDs的发展及实用化具有重要意义。本文在文献调研的基础上，切入上述的领域进行了一些相关的研究。先采用低热固相法合成了四种红色荧光粉的前躯体。在820℃下焙烧上述前躯体3h后得到了四种红色荧光粉，即:(AMgPO4)1.00-x∶Eu3+x(A=Li+,Na+,K+)、(NaMgPO4)0.98-x∶Eu3+0.02,Al3+、(NaMgPO4)0.98-x/3∶Eu3+0.02，Na+x、(LiMgPO4)0.98-x∶Eu3+0.02，Al3+x。利用X-射线衍射仪、TG/DTG、扫描电镜以及荧光光谱对上述四种荧光粉的前躯体及焙烧终产物进行了表征。本论文的主要成果及创新性如下:
　　1.用X-射线衍射仪测定这四种终产物的XRD图谱。经分析XRD图谱发现这四种荧光粉均是一个混杂晶系基本上是以AMgPO4(A=Li+，Na+，K+)为主相，以EuPO4、A3PO4(A=Li+，Na+，K+)或者AlPO4为次相。而且主相LiMgPO4和KMgPO4为正交晶系，NaMgPO4为单斜晶系。次相，AlPO4和EuPO4为单斜晶系，Na3PO4也为正交晶系。另外，还发现掺入Eu3+、 Al3+和Na+对XRD图谱的出峰位置和峰形没有大的影响。
　　2.用热重仪测定三种AMgPO4)0.94∶Eu3+0.06(A=Li，Na，K)前躯体的TG/DTG曲线，并分析了它们前驱体的热分解过程。基于TG/DTG数据对上述三种前躯体的热分解过程进行了等转化率非等温动力学研究，发现三种前驱体的热分解过程均是一步失重过程。用OFWI及KASI法来计算活化能Ea，并得出活化能的平均值、再用Masterplots法得出最概然机理函数g(α）和用DTG峰值温度法计算指前因子A。研究的结果表明，三种前驱体的热分解过程的机理是相同的，都属于假定随机成核随后生长机理，所对应的机理函数方程分别是:g(α)=[-ln（1-α）]4.04，g(α)=[-ln(1-α)]4.8，g(α)=[-ln（1-α）]3.8。
　　3.从SEM图发现，经820℃高温煅烧后样品已经烧结，没有固定形貌。
　　4.用荧光光谱仪分析了四种荧光粉的荧光光谱，经分析荧光光谱图发现:(1)就(AMgPO4)1.00-x∶Eu3+x(A=Li+，Na+，K+)荧光粉而言，在三种阳离子中，Na+不仅提供最强的荧光发射，而且产生了电偶极主导的跃迁，进而获得最红的发光。本章的工作发现了Na+离子诱导能量在Eu3+离子5D0-7F1及5D0-7F2两个跃迁中进行再分配，从而获得电偶极主导的跃迁。因此，相较于LiMgPO4和KMgPO4，NaMgPO4是最佳的基质。在这三种基质中，Eu3+离子的最佳掺杂物质的量浓度分别为6，8，10％。(NaMgPO4)0.94∶Eu3+0.06的色坐标值表明，其具有用作近紫外激发白光LED红色发光成分的潜力。因此，NaMgPO4是最佳的基质。(2)对(NaMgPO4)0.98-x∶ Eu3+0.02，Al3+x来说，试验结果表明，Al3+离子掺杂浓度与发射光强度及应力关系的两条曲线均是Gaussian曲线，且发射光强度及Al3+离子引发的应力之间有着高度的相关性。换言之，Eu3+离子的发射光强度随着应力的增大而增强。讨论了应力增强发光的机理，该机理可归属为应力诱导化学键产生缺陷，使Eu3+离子去团聚化，且使因猝灭而造成的发光损失最小化。此外，(NaMgPO4)0.98-x∶Eu3+0.02，Al3+x荧光粉是电偶极主导跃迁的红色荧光粉。Al3+离子的最佳掺杂量是9％。应用做近紫外激发白光LED红色发光荧光粉方面，最佳掺杂量所对应的(NaMgPO4)0.89∶Eu3+0.02，Al3+0.09荧光粉具有很强的潜力。(3)对(NaMgPO4)0.98-x/3∶ Eu3+0.02，Na+x进行了相关的研究，结果表明，Na+对发射光的强度(615nm)及R(5D0→7F2峰与5D0→7F1峰的强度比)的掺杂效应正好相反。前者是正的效应，而后者是负的效应。不过，所有样品的R值均大于1。另外，样品的R值的差异太小，不足以影响样品的色坐标值。Na+的最佳摩尔浓度是3％，其所对应的样品是(NaMgPO4)0.97∶Eu3+0.02，Na+0.03，该样品具有用作近紫外激发白光LED红色发光荧光粉的潜质。(4)对LiMgPO4∶Eu3+，Al3+荧光粉的研究获悉，Al3+不仅增强样品的荧光强度，而且也影响样品的色坐标值，从而获得更红的颜色。Al3+最佳的摩尔浓度为8％，且(LiMgPO4)0.90∶Eu3+0.02，Al3+0.08发射峰的积分面积是(LiMgPO4)0.90∶Eu3+0.02LiMgPO4∶Eu3+0.02的5.90倍。因此，(LiMgPO4)0.90∶Eu3+0.02，Al3+0.08具有用作近紫外激发白光LED红色发光荧光粉的潜质。