稀土掺杂磷酸铋发光材料的合成及发光性能研究

摘要

白光LED具有节能、环保、高效、寿命长等优点，被视为新一代的绿色光源。目前主流的白光LED生成方式为蓝光芯片加Y3Al15O12:Ce3+黄色荧光粉，该产品因缺少红色成分而导致显色指数偏低，因此新型红色荧光粉的开发成为当前热点。磷酸盐具有良好的物理化学稳定性，被广泛应用于荧光粉基质材料，其中BiPO4因晶体结构与稀土磷酸盐相似，Bi3+离子半径与稀土离子相近等特点，被认为是一种重要的荧光粉基质材料。
　　本文采用水热法合成了Bi1-xPO4:xLn3+(Ln=Sm，Eu)荧光粉，通过X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、荧光分光光度计等一系列测试手段对制备样品进行表征。为了合成低温单斜相Bi1-xPO4:xLn3+(Ln=Sm，Eu)荧光粉和提高其发光性能，研究了pH值、Ln3+离子掺杂量、反应物比例等实验因素对荧光粉晶体结构、形貌、发光性能等方面的影响。主要结果如下:
　　(1)为了合成低温单斜相Bi1-xPO4:xSm3+荧光粉，在不同pH值条件下制备了一系列BiPO4和Bi1-xPO4:xSm3+，研究了pH值和Sm3+离子掺杂对BiPO4的结构、形貌和发光性能的影响。当pH=0.5-2.0时，合成的BiPO4皆为低温单斜相八面体。当pH=1.0-1.5时，随着Sm3+(x=0-0.15)离子掺杂量提高，BiPO4:Sm3+的晶体结构由低温单斜相逐渐变为六方相，当pH=0.5，x=0.15时，Bi1-xPO4:xSm3+荧光粉的晶体结构依然保持为低温单斜相。实验结果表明:pH值和Sm3+离子掺杂都能诱导BiPO4的结构和形貌发生转变，Sm3+离子掺杂诱导的结构转变可通过调节pH值进行抑制。在pH=0.5时，Bi0.89PO4:0.11Sm3+荧光粉的发光性能最好。
　　(2)为了改善样品的红光性能，以Eu3+离子作为激活剂，对BiPO4进行掺杂。研究了pH值、掺杂量对Bi1-xPO4:xEu3+荧光粉形貌、结构及发光性能的影响。XRD和FE-SEM结果表明，在pH=0.5-1.5范围内，合成的Bi0.95PO4:0.05 Eu3+荧光粉为低温单斜相八面体，当pH升至2.0时，样品中开始出现低温单斜相微米棒和六方相纳米颗粒，当pH升至3.0时，样品全部转变为团聚的六方相纳米颗粒。通过对比Bi0.89PO4:0.11Eu3+(0.6249，0.3747)和Bi0.89PO4:0.11Sm3+(0.5599，0.4368)两种荧光粉的CIE坐标，我们选择红色性能更优异的Eu3+离子作为进一步研究对象。
　　(3)为了提高Bi1-xPO4:xEu3+荧光粉的发光性能，我们采用多种表面活性剂和螯合剂辅助合成Bi1-xPO4:xEu3+荧光粉，从中筛选出能明显增强样品发光性能的表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)。研究了CTAB添加量、pH值和Eu3+离子掺杂量对Bi1-xPO4:xEu3+荧光粉形貌、结构及发光性能的影响。XRD和FE-SEM结果表明，随着CTAB添加量的增多，样品形貌由八面体逐渐变为不规则多面体，结构保持不变。当CTAB添加量为2mmol时，Bi0.87PO4:0.11Eu3+荧光粉发光性能最佳。
　　(4)为了改善Bi1-xPO4:xEu3+荧光粉的发光性能，利用水热法控制合成了微米棒Bi1-xPO4:xEu3+荧光粉。研究了反应物比例PO43-/[Bi3++Eu3+]、pH值和Eu3+离子掺杂量对Bi1-xPO4:xEu3+荧光粉形貌、结构及发光性能的影响。当反应物比例小于1时，随着NH4H2PO4添加量的减小，Bi1-xPO4:xEu3+荧光粉由低温单斜相八面体逐渐转变为六方相团聚纳米颗粒。当反应物比例大于1时，随着NH4H2PO4添加量的增多，Bi1-xPO4:xEu3+荧光粉由低温单斜相八面体逐渐转变为低温单斜相微米棒。初始情况下发光强度随着NH4H2PO4添加量的增多逐渐变强，当PO43-/[Bi3++Eu3+]=3.0时发光强度达到峰值，继续提高PO43-/[Bi3++Eu3+]比例至5.0，发光强度没有明显变化。实验结果表明，反应物比例对样品的结构、形貌和发光性能具有重大影响。

目录

摘要

1．绪论

1．1 研究背景

1．2 白光LED简介

1．2．1 白光LED的优点及应用

1．2．2 白光LED的技术方案

1．3 发光材料基础简介

1．3．1 发光材料的定义

1．3．2 发光材料的结构

1．3．3 发光材料的分类

1．3．4 发光材料的技术指标

1．3．5 发光材料的制备方法

1．4 稀土离子的光谱特性

1．4．1 稀土离子的光谱项

1．4．2 稀土离子的跃迁规则

1．4．3 稀土离子的跃迁

1．5 BiPO4研究现状

1．6 本论文的主要研究内容及意义

2 实验部分

2．1 实验原料

2．2 实验仪器

2．3 BiPO4粉体的制备流程

2．4 BiPO4粉体的表征

2．4．1 X射线衍射分析

2．4．2 扫描电子显微分析

2．4．3 荧光光谱分析

2．4．4 CIE色度图分析

3 BiPO4：Sm3+荧光粉的水热合成及其发光性能研究

3．1 引言

3．2 BiPO4：Sm3+荧光粉的制备

3．3 不同pH值和Sm3+掺杂量对BiPO4：Sm3+结构、形貌及发光性能的影响

3．3．1 不同pH值和Sm3+掺杂量对BiPO4：Sm3+结构的影响

3．3．2 不同pH值和Sm3+掺杂量对BiPO4：Sm3+形貌的影响

3．3．3 不同pH值和Sm3+掺杂量对BiPO4：Sm3+发光性能的影响

3．4 本章小结

4 BiPO4：Eu3+荧光粉的水热合成及其发光性能研究

4．1 引言

4．2 BiPO4：Eu3+荧光粉的制备

4．2．1 Eu(NO3)3溶液的制各流程

4．2．2 BiPO4：Eu3+荧光粉的制备流程

4．3 不同pH值对BiPO4：Eu3+结构、形貌及发光性能的影响

4．3．1 不同pH值对BiPO4：Eu3+结构的影响

4．3．2 不同pH值对BiPO4：Eu3+形貌的影响

4．3．3 不同pH值对BiPO4：Eu3+发光性能的影响

4．4 不同Eu3+掺杂量对BiPO4：Eu3+结构、形貌及发光性能的影响

4．4．1 不同Eu3+掺杂量对BiPO4：Eu3+结构的影响

4．4．2 不同Eu3+掺杂量对BiPO4：Eu3+形貌的影响

4．4．3 不同Eu3+掺杂量对BiPO4：Eu3+发光性能的影响

4．5 本章小结

5 CTAB辅助水热合成BiPO4：Eu3+荧光粉及其发光性能研究

5．1 引言

5．2 CTAB辅助BiPO4：Eu3+荧光粉的制备

5．3 不同表面活性剂和螯合剂对BiPO4：Eu3+结构、形貌及发光性能的影响

5．3．1 不同表面活性剂和螯合剂对BiPO4：Eu3+结构的影响

5．3．2 不同表面活性剂和螯合剂对BiPO4：Eu3+形貌的影响

5．3．3 不同表面活性剂和螯合剂对BiPO4：Eu3+发光性能的影响

5．4 不同CTAB添加量对BiPO4：Eu3+结构、形貌及发光性能的影响

5．4．1 不同CTAB添加量对BiPO4：Eu3+结构的影响

5．4．2 不同CTAB添加量对BiPO4：Eu3+形貌的影响

5．4．3 不同CTAB添加量对BiPO4：Eu3+发光性能的影响

5．5 pH值对CTAB辅助合成BiPO4：Eu3+结构、形貌及发光性能的影响

5．5．1 pH值对CTAB辅助合成BiPO4：Eu3+结构的影响

5．5．2 pH值对CTAB辅助合成BiPO4：Eu3+形貌的影响

5．5．3 pH值对CTAB辅助合成BiPO4：Eu3+发光性能的影响

5．6 Eu3+掺杂量对CTAB辅助合成BiPO4：Eu3+结构、形貌及发光性能的影响

5．6．1 Eu3+掺杂量对CTAB辅助合成BiPO4：Eu3+结构的影响

5．6．2 Eu3+掺杂量对CTAB辅助合成BiPO4：Eu3+形貌的影响

5．6．3 Eu3+掺杂量对CTAB辅勘台成BiPO4：Eu3+发光性能的影响

5．7 本章小节

6 棒状BiPO4：Eu3+荧光粉的合成及其发光性能研究

6．1 引言

6．2 BiPO4：Eu3+荧光粉的制备

6．3 不同反应物比例对BiPO4：Eu3+结构、形貌及发光性能的影响

6．3．1 不同反应物比例对BiPO4：Eu3+结构的影响

6．3．2 不同反应物比例对BiPO4：Eu3+形貌的影响

6．3．3 不同反应物比例对BiPO4：Eu3+发光性能的影响

6．4 反应物比例为3：1时pH值对BiPO4：Eu3+结构、形貌及发光性能的影响

6．4．1 反应物比例为3：1时pH值对BiPO4：Eu3+结构的影响

6．4．2 反应物比例为3：1时pH值对BiPO4：Eu3+形貌的影响

6．4．3 反应物比例为3：1时pH值对BiPO4：Eu3+发光性能的影响

6．5 不同Eu3+掺杂量对棒状BiPO4：Eu3+结构、形貌及发光性能的影响

6．5．1 不同Eu3+掺杂量对棒状BiPO4：Eu3+结构的影响

6．5．2 不同Eu3+掺杂量对棒状BiPO4：Eu3+形貌的影响

6．5．3 不同Eu3+掺杂量对棒状BiPO4：Eu3+发光性能的影响

6．6 本章小节

7 结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文

声明