稀土掺杂多硼酸盐荧光性能研究

摘要

三价稀土离子具有丰富的能级，并且在作为发光中心时电子跃迁方式包含f-f、f-d以及电荷迁移三种，因此稀土掺杂的发光材料激发和发射光谱可以覆盖红外、可见甚至到紫外区，被广泛应用于生产和生活的各个领域。稀土掺杂发光材料的发光性质不仅取决于掺杂离子的种类，而且高度依赖于基质结构，因此选择一种合适的材料作为基质也尤为重要。硼酸盐由于其结构丰富多样，常具有良好的物理化学性质，是一类非常重要的光学功能材料。因此选择硼酸盐作为基质材料，三价稀土Eu3+、Ce3+、Tb3+以及Dy3+作为发光中心，研究其光致发光性能。主要研究内容和成果如下：　　1.采用硼酸熔融法制备了Y1-xEux[B6O9(OH)3]系列样品，并采用单晶X射线衍射确定了通过Eu[B6O9(OH)3]晶体结构。粉末X射线衍射数据的Le Bail拟合结果证明Eu3+掺杂成功。Y1-xEux[B6O9(OH)3]样品在加热时会重结晶生成TD-α-Y1-xEuxB5O9，溶胶-凝胶法也可成功制备SG-α-Y1-xEuxB5O9。系统研究了Y1-xEux[B6O9(OH)3]和α-Y1-xEuxB5O9的光致发光性能。Y1-xEux[B6O9(OH)3]体系以橙光发射为主，而α-Y1-xEuxB5O9在CT激发时可发射明亮红光，这表明α-YB5O9是掺杂Eu3+离子的良好基质。　　2.采用溶胶-凝胶法制备了β-La0.9-xCe0.1TbxB5O9和β-La0.9-xCe0.1DyxB5O9系列荧光粉。并通过XRD数据的Le-Bail拟合确认所合成的样品都为纯相。光致发光光谱测试结果表明Ce3+到Tb3+和Dy3+都存在有效地的能量传递，Ce3+到Tb3+与Dy3+能量传递效率分别高达81%与75.47%，能量传递方式都以偶极-偶极相互作用为主。　　3.采用高温固相法合成了LiSr(Y1-xEux)2(BO3)3、LiSr(Y1-xTbx)2(BO3)3和LiSr(Y0.7-xTb0.3Eux)2(BO3)3系列固溶体荧光粉。LiSr(Y1-xEux)2(BO3)3在近紫外波段激发下发射明亮红光，是近紫外白光LED的优质红色荧光粉；LiSr(Y1-xTbx)2(BO3)3在近紫外激发下发射明亮绿光。LiSr(Y0.7-xTb0.3Eux)2(BO3)3在365nm激发下的发光颜色随着Eu3+掺杂浓度的增加由明亮绿光经过黄光区最终变为明亮红光，实现了单一基质的颜色可调。此外，LiSr(Y0.7-xTb0.3Eux)2(BO3)3中Tb3+到Eu3+的能量传递效率高达96%，能量传递机理为四极-四极的相互作用。　　4.采用高温固相法合成了PbY1-xEuxB7O13,PbY0.9-xEu0.1GdxB7O13和PbY1-xTbxB7O13系列荧光粉，并且通过XRD确认所有样品均为纯相。光致发光性能测试结果表明PbY1-xEuxB7O13体系样品发射明亮红光，并且随着Eu3+掺杂浓度的增加，样品的红橙比会持续增加，说明Eu3+的配位环境由中心对称变为非中心对称。由于Gd3+的离子半径和Eu3+比较接近且都大于Y3+的，因此PbY0.9-xEu0.1GdxB7O13体系与PbY1-xEuxB7O13有着相似的发光特性。此外，PbY1-xTbxB7O13中Tb3+的配位环境随着Tb3+含量的增加而变化，主要表现在发射光谱中青绿光和绿光的比值也会发生变化。

目录

1 绪 论

1.1.1硼酸盐的结构

1.1.2硼酸盐的性质与应用

1.2.1稀土发光材料发光机理

1.2.2稀土离子的电子组态

1.2.3稀土离子能级跃迁以及光谱特性

1.2.4稀土离子光谱特性

1.2.5稀土离子的能量传递

1.2.6发光指标

1.3硼酸盐荧光材料的合成

1.3.1高温固相法

1.3.2溶胶-凝胶法

1.3.3水热法

1.3.4硼酸熔融法

1.4本论文的选题目的及意义

2 物相合成与表征

2.1 试剂规格和仪器参数

2.2 样品合成

2.2.1硼酸熔融法

2.2.2 水热法

2.2.3 高温固相法

2.2.4 溶胶-凝胶法

2.3 样品表征

2.3.1 单晶 X-射线衍射

2.3.2 多晶粉末 X-射线衍射

2.3.3 差热-热重分析

2.3.4 荧光光谱