李世龍 呂超 閔鑫 房明浩 黃朝暉 劉艷改(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)材料科學(xué)與工程學(xué)院，非金屬礦物與固廢資源材料化利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，礦物巖石材料開(kāi)放應(yīng)用國(guó)家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

La7O6(BO3)(PO4)2∶Eu3+/Tb3+熒光材料的制備及其光致發(fā)光性能

李世龍 呂超 閔鑫＊房明浩 黃朝暉 劉艷改
(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)材料科學(xué)與工程學(xué)院，非金屬礦物與固廢資源材料化利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，礦物巖石材料開(kāi)放應(yīng)用國(guó)家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

固態(tài)照明技術(shù)在近年來(lái)得到了飛速的發(fā)展，其中白光LED相對(duì)于普通照明設(shè)備具有相對(duì)更高的發(fā)光效率、長(zhǎng)的使用壽命和低的能耗，被譽(yù)為新一代照明技術(shù)的主要研究方向[1-2]。目前，商業(yè)化的照明器件獲得白光的方式主要有2種：一種是將藍(lán)光LED芯片與黃色熒光粉YAG∶Ce相結(jié)合，利用LED芯片產(chǎn)生的藍(lán)光與熒光粉產(chǎn)生的黃光復(fù)合得到白光，但由于熒光粉的發(fā)射光譜中缺乏紅光部分，該方式,存在著顯色性差和色溫高的缺點(diǎn)[3-4]；另一種是在紫外芯片表面涂覆紅、綠、藍(lán)3種熒光粉，利用LED芯片發(fā)射的紫外光來(lái)分別激發(fā)3種熒光粉，通過(guò)三基色光復(fù)合得到白光，該方法相較于前一種方法具有更為優(yōu)異的顯色性，具有更為重要的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值[5-6]。對(duì)于紅、綠、藍(lán)三基色熒光燈來(lái)說(shuō)，其綠光成分主要作用于熒光燈的光效和光通維持率，而紅光成分對(duì)熒光燈的顯色指數(shù)影響較大，但在實(shí)際應(yīng)用中這類熒光粉發(fā)光效率和穩(wěn)定性仍較低，尤其是對(duì)于高性能的紅色熒光粉需求更是十分迫切，因此針對(duì)三基色熒光粉中的綠光和紅光組分展開(kāi)相應(yīng)的研究具有重要的意義[7-8]。

稀土離子Eu3+和Tb3+在紫外和近紫外光區(qū)域均具有強(qiáng)的吸收作用，其中Eu3+離子發(fā)射光譜主要集中在紅光區(qū)域，而Tb3+離子的發(fā)射光譜則以綠光為主，可作為三基色熒光粉中紅光和綠光成分的主要來(lái)源之一，因此針對(duì)Eu3+和Tb3+開(kāi)展相關(guān)熒光粉的基礎(chǔ)研究工作具有潛在的應(yīng)用價(jià)值[9-11]。熒光粉的基質(zhì)材料主要為稀土離子的電子躍遷和光譜發(fā)射提供必須的晶體場(chǎng)環(huán)境，是決定稀土離子發(fā)光性能的重要影響因素[12-13]。稀土離子硼磷酸鹽Ln7O6(BO3) (PO4)2是Ln2O3-B2O3-P2O5體系中的一種新型三元化合物材料體系，其中Ln原子可以被常見(jiàn)稀土元素La、Ce、Pr、Nd、Eu、Gd和Yb等取代，具備獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)越的性能，在催化劑、分子篩和光磁學(xué)等方面進(jìn)行了大量的合成及性能研究工作，但由于稀土磷硼酸鹽化合物的發(fā)展起步較晚，其熒光粉方面的研究報(bào)道還非常少[14]。因此，本論文提出以稀土硼磷酸鹽La7O6(BO3)(PO4)2為熒光粉基質(zhì)材料，采用高溫固相法分別制備三價(jià)稀土離子Eu3+和Tb3+摻雜的紅色和綠色熒光材料，并對(duì)其物相行為、光致發(fā)光性能、熒光壽命和熱穩(wěn)定性等展開(kāi)了詳細(xì)研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 Eu3+和Tb3+摻雜的La7O6(BO3)(PO4)2材料制備

La7O6(BO3)(PO4)2基質(zhì)材料的制備：原料采用La2O3(高純?cè)噭?N)、H3BO3(AR)、NH4H2PO4(AR)。由于La2O3放置過(guò)程中極易吸收空氣中水分，本實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前先將La2O3樣品置于馬弗爐中，1 000℃條件下保溫2 h處理，待爐內(nèi)溫度降至150℃時(shí)取出并密封保存。原料按化學(xué)配比用量為0.014 mol La2O3、0.004 mol H3BO3和0.008 mol NH4H2PO4，稱取各原料對(duì)應(yīng)用量，同時(shí)置于瑪瑙研缽內(nèi)充分研磨(15 min)，使得原料混合均勻，后置于剛玉坩堝中，處于500℃馬弗爐中保溫2 h，待爐溫降至室溫取出樣品并在瑪瑙研缽中再次研磨15 min，然后將其放入高溫管式爐中并在不同的合成溫度(T=1 300、1 350、1 400、1 450、1 500℃)下保溫3 h，待管式爐溫度冷卻至室溫后取出樣品磨細(xì)，封存?zhèn)溆谩?/p>

Eu3+和Tb3+分別摻雜La7O6(BO3)(PO4)2材料的制備：在制備La7O6(BO3)(PO4)2原料的基礎(chǔ)上，新增Eu2O3(高純?cè)噭?N)和Tb4O7(高純?cè)噭?N)，以制備La7O6(BO3)(PO4)2∶xEu3+和La7O6(BO3)(PO4)2∶yTb3+樣品，其中x=y=0.01、0.03、0.05、0.08、0.10、0.15、0.20。以Eu3+和Tb3+離子分別取代La為計(jì)算依據(jù)來(lái)計(jì)算La2O3、Eu2O3和Tb4O7的用量，分別稱取不同原料并按照前述的制備La7O6(BO3)(PO4)2材料方法，高溫固相反應(yīng)得到La7O6(BO3)(PO4)2∶xEu3+和La7O6(BO3)(PO4)2∶yTb3+兩種熒光材料。

1.2 性能表征

在室溫下采用D8 ADVANCE型X射線衍射儀(XRD，Bruker Corporation，Germany)分析制備樣品的物相，采用Cu靶Kα射線(λ=0.154 06 nm)作為輻射源，工作電壓為40 kV，工作電流為40 mA，掃描范圍為20°～60°。利用F-4600型熒光光譜儀(Hitachi，Japan)檢測(cè)制備熒光粉在室溫下的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜，激發(fā)光源為Xe燈，功率為450 W。在相同的熒光光譜儀上配套了一個(gè)自動(dòng)加熱組件，對(duì)熒光粉在不同溫度下(298、323、373、423、473 K、523、573 K)的發(fā)射光譜進(jìn)行了表征。采用TBX-PS熒光分光光度計(jì)(HORIBA Jobin Yvon，F(xiàn)rance)對(duì)樣品的光衰減壽命進(jìn)行了表征，采用的激發(fā)光源是波長(zhǎng)為374 nm的脈沖激光器。

2 結(jié)果與討論

2.1 La7O6(BO3)(PO4)2基質(zhì)合成條件探討

圖1 (a)不同溫度合成La7O6(BO3)(PO4)2材料XRD圖;(b)La7O6(BO3)(PO4)2晶胞結(jié)構(gòu)圖Fig.1(a)XRD patterns of La7O6(BO3)(PO4)2materials at different calcination temperatures; (b)Crystal cell structure of La7O6(BO3)(PO4)2

圖1(a)為不同煅燒溫度合成La7O6(BO3)(PO4)2基質(zhì)材料的XRD圖及其標(biāo)準(zhǔn)卡片的特征衍射峰。對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)卡片(PDF No.52-1542)可知，當(dāng)煅燒溫度為1 300℃時(shí)，樣品中最主要的特征衍射峰已經(jīng)出現(xiàn)，但是存在許多雜峰；溫度1 350℃時(shí)，主要衍射峰比較明顯，仍存在較少LaPO4和La3PO7雜相；溫度為1 400℃時(shí)，樣品中的衍射峰均為L(zhǎng)a7O6(BO3)(PO4)2的特征峰，幾乎沒(méi)有觀察到其他雜相衍射峰；隨著合成溫度繼續(xù)升高，衍射峰的強(qiáng)度逐漸增加、峰寬變小，表明樣品的結(jié)晶度逐漸增加。綜合XRD的分析結(jié)果，認(rèn)為在1 400℃的溫度下保溫3 h是合成La7O6(BO3)(PO4)2單相材料的最佳條件。圖1(b)所示為采用VESTA軟件依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)卡片獲得的La7O6(BO3)(PO4)2晶胞結(jié)構(gòu)示意圖，所得La7O6(BO3)(PO4)2屬單斜晶系，空間群為P21/n，晶格常數(shù)a=0.701 9 nm、b=1.791 5 nm、c=1.265 3 nm、β=97.52°，晶胞體積V=1.577 27 nm3[15]。

2.2 Eu3+和Tb3+摻雜La7O6(BO3)(PO4)2材料的物相分析

圖2(a)和(b)為在1 400℃保溫3 h制備得到La7O6(BO3)(PO4)2∶xEu3+和La7O6(BO3)(PO4)2∶yTb3+(x=y= 0.01，0.03，0.05，0.08，0.10，0.15，0.20)樣品的XRD圖。通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)卡片對(duì)比分析，各樣品的衍射峰與標(biāo)準(zhǔn)卡片的峰位基本一致，不同濃度三價(jià)稀土離子Eu3+和Tb3+摻雜的樣品均沒(méi)有出現(xiàn)明顯的雜質(zhì)峰，表明稀土離子摻雜沒(méi)有生成新的雜質(zhì)物相，因此認(rèn)為少量摻雜Tb3+和Eu3+并沒(méi)有明顯改變La7O6(BO3) (PO4)2基質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)。分析其原因可能為，Tb3+、Eu3+與La3+價(jià)態(tài)一致，均為+3價(jià)，在發(fā)生離子取代時(shí)能夠滿足電荷平衡；此外，當(dāng)配位數(shù)為8時(shí)，Tb3+離子的半徑0.104 nm，Eu3+離子的半徑0.107 nm，La3+離子的半徑0.116 nm，即Tb3+和Eu3+離子的半徑均與La3+離子較為接近，而在本結(jié)構(gòu)中P5+在四配位時(shí)的離子半徑為0.017 nm，而B(niǎo)3+離子在三配位時(shí)的半徑為0.001 nm，二者均與稀土離子的半徑差距較大，因此認(rèn)為稀土離子Tb3+和Eu3+在摻雜時(shí)主要是代替La3+離子進(jìn)入晶格中，但又由于電荷和半徑差異較小，未引起La7O6(BO3)(PO4)2材料晶體結(jié)構(gòu)的變化。

圖2 在1 400℃保溫3 h制得La7O6(BO3)(PO4)2∶xEu3+(a)和La7O6(BO3)(PO4)2∶yTb3+(b)的XRD圖Fig.2XRD patterns of La7O6(BO3)(PO4)2∶xEu3+(a)and La7O6(BO3)(PO4)2∶yTb3+(b)samples prepared at 1 400℃for 3 h

2.3 Eu3+摻雜La7O6(BO3)(PO4)2材料的光致發(fā)光性能

2.3.1 Eu3+摻雜La7O6(BO3)(PO4)2樣品的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜

圖3(a)所示為L(zhǎng)a7O6(BO3)(PO4)2∶0.08Eu3+熒光粉的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜。由圖3(a)左側(cè)的譜線可以看出，當(dāng)監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)為616 nm時(shí)，所得激發(fā)光譜的范圍為200～500 nm，主要可以分為2個(gè)區(qū)域：一是波長(zhǎng)在215～325 nm范圍內(nèi)的1個(gè)寬的吸收帶，對(duì)應(yīng)電子從O2-全充滿的2p6軌道向Eu3+未充滿的4f6空軌道的轉(zhuǎn)移，而產(chǎn)生O2--Eu3+電荷遷移帶(CTB)[16]；二是波長(zhǎng)在大于325 nm范圍的4個(gè)尖的吸收峰，峰的中心分別位為362、381、394和465 nm，分別對(duì)應(yīng)Eu3+離子中4f層電子7F0→5D1、7F0→5L7、7F0→5L6和7F0→5D2的能級(jí)躍遷[16]。其中，Eu3+離子在394 nm的特征吸收峰較強(qiáng)，在實(shí)際中能夠很好地與近紫外LED芯片匹配使用。以波長(zhǎng)為271 nm的紫外光作為激發(fā)光，得到La7O6(BO3)(PO4)2∶0.08Eu3+熒光粉的發(fā)射光譜如圖3(a)中右側(cè)的譜線所示，其發(fā)射光譜可以分為中心處在533、556、590、616和657 nm處的5個(gè)發(fā)射峰，分別對(duì)應(yīng)Eu3+離子中4f軌道的電子在5D1→7F1、5D1→7F2、5D0→7F1、5D0→7F2和5D0→7F3特征能級(jí)躍遷[16]，各個(gè)特征發(fā)射相應(yīng)的能級(jí)躍遷圖如圖3(b)所示。根據(jù)上述研究結(jié)果，La7O6(BO3)(PO4)2∶0.08Eu3+熒光粉的最強(qiáng)發(fā)射峰位于616 nm，屬紅光區(qū)域。因此,采用高溫固相法制備的La7O6(BO3)(PO4)2∶Eu3+材料是一種能夠被紫外或近紫外光有效激發(fā)并發(fā)射紅光的新型熒光材料。

2.3.2 Eu3+摻雜濃度對(duì)La7O6(BO3)(PO4)2∶xEu3+發(fā)光強(qiáng)度的影響

圖4(a)所示為在271 nm紫外光激發(fā)下不同Eu3+離子摻雜濃度的La7O6(BO3)(PO4)2∶xEu3+樣品的發(fā)射光譜，圖中插圖為中心位于616nm發(fā)射峰的強(qiáng)度與Eu3+摻雜濃度x的關(guān)系圖，其中x的值分別為0.01、0.03、0.05、0.08、0.10、0.15、0.20。由圖可以清楚地看出，隨著Eu3+離子摻雜濃度的增大，La7O6(BO3) (PO4)2∶Eu3+熒光粉的發(fā)光強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的的變化趨勢(shì)，在Eu3+離子的摻雜濃度為0.08時(shí)，其特征發(fā)射峰的強(qiáng)度達(dá)到最高。若Eu3+離子的摻雜濃度繼續(xù)增大，不同發(fā)光中心Eu3+離子之間的距離將減小到一定的程度，吸收的能量主要在激活劑離子間以非輻射弛豫形式耗散，從而表現(xiàn)出發(fā)光強(qiáng)度隨濃度繼續(xù)增高而出現(xiàn)猝滅的現(xiàn)象[17]。

濃度猝滅本質(zhì)是雜質(zhì)中心猝滅引起的發(fā)射強(qiáng)度下降，隨著激活劑濃度增加，這些離子的能態(tài)會(huì)靠攏得足夠近，極易發(fā)生相近能態(tài)之間的能量傳遞，而這種迅速?gòu)V泛的能量傳遞將使能量通過(guò)猝滅雜質(zhì)中心直接消耗于基質(zhì)晶格中，從而導(dǎo)致發(fā)光強(qiáng)度下降[2]。這種能量傳遞作用極大地取決于激活劑離子之間的臨界距離(Rc)，其計(jì)算方法如公式1所示[2,18]：

圖3 (a)La7O6(BO3)(PO4)2∶0.08Eu3+熒光粉的激發(fā)光譜(左)和發(fā)射光譜(右);(b)La7O6(BO3)(PO4)2∶0.08Eu3+熒光粉的光致發(fā)光能級(jí)躍遷機(jī)制Fig.3(a)Excitation(left)and emission(right)spectra of La7O6(BO3)(PO4)2∶0.08Eu3+phosphors;(b)Schematic energy level diagram for the luminescence properties of La7O6(BO3)(PO4)2∶0.08Eu3+phosphors

圖4 (a)在271 nm紫外光激發(fā)下La7O6(BO3)(PO4)2∶xEu3+樣品的發(fā)射光譜;(b)lg(I/x)與lgx的線性擬合關(guān)系Fig.4(a)Emission spectra of La7O6(BO3)(PO4)2∶xEu3+under excitation at 271 nm;(b)Linear fitting of lg(I/x)vs lgx of La7O6(BO3)(PO4)2∶xEu3+phosphors

其中V為單位晶胞體積，N為單位晶胞中可被激活劑離子替代的原子的數(shù)量，xc為Eu3+摻雜離子發(fā)生濃度猝滅的臨界濃度。對(duì)于La7O6(BO3)(PO4)2∶Eu3+而言，晶胞體積V=1.577 27 nm3，N=28，xc=0.08，因此根據(jù)公式1計(jì)算得到其臨界距離Rc為1.104 nm。

根據(jù)Dexter理論，非導(dǎo)電性無(wú)機(jī)材料中激活劑離子的濃度猝滅機(jī)理主要為電多極相互作用，當(dāng)熒光材料中摻雜的激活劑離子濃度大于濃度猝滅的值時(shí)，其發(fā)光強(qiáng)度I與摻雜濃度x的關(guān)系可以由公式2來(lái)表示[18]：

式中，β為常數(shù)，當(dāng)θ為6、8、10時(shí)分別表示電偶極-電偶極(d-d)、電偶極-電四極(d-q)和電四極-電四極(q-q)相互作用。根據(jù)公式2對(duì)La7O6(BO3)(PO4)2∶xEu3+熒光粉中的發(fā)光強(qiáng)度I與摻雜濃度x關(guān)系進(jìn)行了分析，其lg(I/x)與lgx線性關(guān)系如圖4(b)所示，其中擬合線性關(guān)系的斜率(-θ/3)的值為-1.873，即θ值為5.619，非常接近于6，表明在La7O6(BO3)(PO4)2結(jié)構(gòu)中Eu3+離子的濃度猝滅作用機(jī)制主要為d-d相互作用。

2.3.3 Eu3+摻雜濃度對(duì)La7O6(BO3)(PO4)2∶xEu3+發(fā)光壽命的影響

圖5為L(zhǎng)a7O6(BO3)(PO4)2∶xEu3+熒光粉在不同Eu3+摻雜濃度下(x=0.01、0.03、0.05、0.08、0.10、0.15、0.20)的發(fā)光強(qiáng)度隨時(shí)間衰減的曲線，其激發(fā)光源的波長(zhǎng)為374 nm，監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)為616 nm。由圖可以看出，La7O6(BO3)(PO4)2∶xEu3+熒光粉時(shí)間衰減曲線符合一次指數(shù)模型，可利用公式3獲得其熒光壽命(τ)：

其中，I(t)表示樣品在t時(shí)間的發(fā)光強(qiáng)度，A為常數(shù)。對(duì)衰減曲線進(jìn)行擬合計(jì)算得到樣品熒光壽命結(jié)果如圖5中的插圖所示，當(dāng)Eu3+摻雜濃度較低時(shí)，La7O6(BO3)(PO4)2∶Eu3+熒光粉的壽命值隨著Eu3+摻雜濃度增加而增加，并在摻雜濃度x為0.10時(shí)其壽命值達(dá)到最大；繼續(xù)增加其摻雜濃度，樣品的壽命開(kāi)始呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，熒光壽命出現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)，其原因與前述濃度猝滅機(jī)制相類似，可能主要為激活劑離子間無(wú)輻射弛豫的作用在稀土離子間的距離小于臨界距離時(shí)急劇增強(qiáng)所致[19-20]。

圖5 La7O6(BO3)(PO4)2∶xEu3+熒光粉的光強(qiáng)隨時(shí)間衰減的曲線Fig.5Decay curves of La7O6(BO3)(PO4)2∶xEu3+phosphors with different doping concentrations

2.4 Tb3+摻雜La7O6(BO3)(PO4)2材料的光致發(fā)光性能

2.4.1 La7O6(BO3)(PO4)2∶0.10Tb3+樣品的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜

采用高溫固相法(1 400℃保溫3 h)制備的La7O6(BO3)(PO4)2∶0.10Tb3+熒光粉的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜如圖6(a)所示。由圖6(a)中左側(cè)的曲線可以看出，當(dāng)監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)為544 nm時(shí)，La7O6(BO3)(PO4)2∶0.10Tb3+熒光粉的激發(fā)光譜覆蓋波長(zhǎng)200～400 nm的紫外/近紫外光區(qū)域，激發(fā)光譜可分為2部分：一部分是位于200～300 nm之間寬帶激發(fā)峰，其峰的中心處于246 nm，屬于Tb3+離子中4f8→4f75d的能級(jí)躍遷；另一部分激發(fā)峰位于310～400 nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，其強(qiáng)度偏低，該激發(fā)峰可分為341、353、378 nm 3個(gè)激發(fā)帶，分別屬于Tb3+的7F6→5L7、7F6→5L9和7F6→5G6躍遷[21]。圖6(a)中右側(cè)的曲線為樣品在波長(zhǎng)為246 nm的紫外光激發(fā)下產(chǎn)生的發(fā)射光譜，該光譜主要由峰值位于382、418、440、491、544、594和628 nm的7個(gè)峰組成，分別歸屬于Tb3+的5D3→7F6、5D3→7F5、5D3→7F4、5D4→7F6、5D4→7F5、5D4→7F4和5D4→7F3特征躍遷[21]。其中樣品的最強(qiáng)發(fā)射峰位于544 nm，屬綠光區(qū)域，且其強(qiáng)度遠(yuǎn)高于其他發(fā)射峰，表明La7O6(BO3)(PO4)2∶Tb3+熒光粉是一種非常有應(yīng)用潛力的紫外/近紫外激發(fā)的綠色熒光粉材料。圖6(b)所示為Tb3+離子在La7O6(BO3)(PO4)2結(jié)構(gòu)中特征發(fā)射峰對(duì)應(yīng)的電子能級(jí)躍遷圖，即Tb3+離子的4f層電子在吸收246 nm的紫外光能量后，首先基態(tài)的最底端躍遷到激發(fā)態(tài)中較高的能級(jí)5K8，然后以非輻射弛豫的方式返回激發(fā)態(tài)中能量較低的能級(jí)5D3和5D4，最后返回不同的基態(tài)能級(jí)并釋放出相應(yīng)能量的光子，表現(xiàn)為不同的特征發(fā)射峰。

圖6 (a)La7O6(BO3)(PO4)2∶0.10Tb3+熒光粉的激發(fā)光譜(左)和發(fā)射光譜(右);(b)La7O6(BO3)(PO4)2∶0.10Tb3+的能級(jí)躍遷圖Fig.6(a)Excitation(left)and emission(right)spectra of La7O6(BO3)(PO4)2∶0.10Tb3+phosphors; (b)Schematic energy level diagram for the emission of La7O6(BO3)(PO4)2∶0.10Tb3+phosphors

2.4.2 Tb3+摻雜濃度對(duì)La7O6(BO3)(PO4)2∶yTb3+發(fā)光強(qiáng)度的影響

圖7所示為采用246 nm激發(fā)光源激發(fā)下不同Tb3+摻雜濃度(y=0.01、0.03、0.05、0.08、0.10、0.15、0.20)的La7O6(BO3)(PO4)2∶yTb3+樣品的發(fā)射光譜，其中的插圖表示位于544 nm特征峰的強(qiáng)度隨Tb3+離子摻雜濃度變化的曲線。由圖可以看出，隨著Tb3+離子摻雜濃度逐漸增加，其發(fā)射光譜強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后降低的變化趨勢(shì)，其中當(dāng)Tb3+摻雜濃度為0.15時(shí)，樣品的發(fā)射峰強(qiáng)度最大。當(dāng)Tb3+摻雜濃度繼續(xù)增大時(shí)，激活劑發(fā)光中心間的距離逐漸減小，當(dāng)其距離低于臨界值時(shí)，激活劑離子間的非輻射弛豫作用增強(qiáng)，Tb3+離子的特征發(fā)射強(qiáng)度出現(xiàn)濃度猝滅現(xiàn)象。根據(jù)公式1計(jì)算得到La7O6(BO3)(PO4)2∶yTb3+樣品出現(xiàn)濃度猝滅的臨界距離為0.895 nm。

2.4.3 Tb3+摻雜濃度對(duì)La7O6(BO3)(PO4)2∶yTb3+發(fā)光壽命的影響

圖7 在246 nm紫外光激發(fā)La7O6(BO3)(PO4)2∶yTb3+熒光粉的發(fā)射光譜Fig.7Emission spectra of La7O6(BO3)(PO4)2∶yTb3+under excitation at 246 nm

圖8 La7O6(BO3)(PO4)2∶yTb3+樣品發(fā)光強(qiáng)度的時(shí)間衰減曲線Fig.8Decay curves of the La7O6(BO3)(PO4)2∶yTb3+phosphors with different doping concentrations

圖8所示為L(zhǎng)a7O6(BO3)(PO4)2∶yTb3+樣品中Tb3+離子在544 nm下的發(fā)射峰強(qiáng)度隨時(shí)間的衰減曲線，其中激發(fā)光源的波長(zhǎng)為374 nm。由圖可以看出，不同衰減曲線均符合一次指數(shù)模型，可以使用公式3來(lái)計(jì)算不同摻雜濃度La7O6(BO3)(PO4)2∶yTb3+樣品的熒光壽命，其結(jié)果如圖8中的表格所示。La7O6(BO3) (PO4)2∶yTb3+樣品的熒光壽命隨著Tb3+摻雜濃度增加的變化趨勢(shì)與其發(fā)光強(qiáng)度隨摻雜濃度增加的變化趨勢(shì)相一致，也表現(xiàn)出先增加后降低的變化特征，當(dāng)Tb3+摻雜濃度為0.08時(shí)，其熒光壽命達(dá)到最大，其值為6.97 ms，其原因分析與前面部分中所述的內(nèi)容相似。

2.5 Eu3+和Tb3+摻雜La7O6(BO3)(PO4)2熒光粉發(fā)光性能的熱穩(wěn)定性及CIE坐標(biāo)

熒光材料光致發(fā)光性能的熱穩(wěn)定性是衡量其是否能在白光LED領(lǐng)域中應(yīng)用的重要因素。本論文分別研究了La7O6(BO3)(PO4)2∶0.08Eu3+和La7O6(BO3) (PO4)2∶0.1Tb3+兩種熒光粉在不同溫度下(298、323、373、423、473、523、573 K)的發(fā)射光譜，其結(jié)果分別如圖9(a)和(b)所示，其中的插圖為歸一化的光譜積分強(qiáng)度隨溫度變化的曲線。由圖可以看出，2種熒光材料的發(fā)射光譜強(qiáng)度均隨著溫度升高逐漸降低，當(dāng)環(huán)境測(cè)試溫度為423 K時(shí)，La7O6(BO3)(PO4)2∶0.08Eu3+熒光材料的發(fā)射光譜強(qiáng)度為常溫條件下的80.1%，而La7O6(BO3)(PO4)2∶0.1Tb3+熒光材料的發(fā)射光譜強(qiáng)度則為其常溫條件下的81.4%，結(jié)果表明本文研究的2種熒光粉均具有較好的熱穩(wěn)定性。

根據(jù)La7O6(BO3)(PO4)2∶0.08Eu3+和La7O6(BO3)(PO4)2∶0.15Tb3+兩個(gè)樣品的發(fā)射光譜數(shù)據(jù)，采用色坐標(biāo)軟件分別計(jì)算其CIE坐標(biāo)，如圖10所示。結(jié)果顯示，Eu3+摻雜的La7O6(BO3)(PO4)2熒光粉的CIE坐標(biāo)為(0.610 2，0.382 3)，位于紅光區(qū)，表明該系列樣品可在紫外/近紫外光激發(fā)下發(fā)射紅光；Tb3+離子摻雜La7O6(BO3)(PO4)2熒光粉的CIE坐標(biāo)為(0.317 7，0.5352)，位于綠光區(qū)域，表明該系列熒光材料在紫外/近紫外光激發(fā)下能夠發(fā)射綠光。

圖9 La7O6(BO3)(PO4)2∶0.08Eu3+(a)和La7O6(BO3)(PO4)2∶0.10Tb3+;(b)熒光粉在不同溫度下的發(fā)射光譜Fig.9Emission spectra of La7O6(BO3)(PO4)2∶0.08Eu3+(a)and La7O6(BO3)(PO4)2∶0.10Tb3+(b)phosphors at different temperatures

圖10 La7O6(BO3)(PO4)2∶0.08Eu3+和La7O6(BO3)(PO4)2∶0.15Tb3+熒光粉的CIE坐標(biāo)圖Fig.10CIE diagram of La7O6(BO3)(PO4)2∶0.08Eu3+and La7O6(BO3)(PO4)2∶0.15Tb3+phosphors

3 結(jié)論

采用優(yōu)化的高溫固相合成法制備了新型La7O6(BO3)(PO4)2∶Eu3+系列紅色熒光粉和La7O6(BO3)(PO4)2∶Tb3+系列綠色熒光粉。當(dāng)Eu3+離子的摻雜濃度為0.08時(shí)，La7O6(BO3)(PO4)2∶xEu3+熒光粉的發(fā)射強(qiáng)度最高，隨著摻雜濃度繼續(xù)增加，出現(xiàn)濃度猝滅現(xiàn)象，其濃度猝滅機(jī)理為電偶極-電偶極的相互作用。La7O6(BO3)(PO4)2∶yTb3+的發(fā)射光譜強(qiáng)度隨著Tb3+離子摻雜濃度的增加也表現(xiàn)出先增大后降低的變化趨勢(shì)，其猝滅濃度為0.15。兩種熒光粉的熒光壽命隨著對(duì)應(yīng)離子摻雜濃度的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)。其發(fā)光強(qiáng)度也隨著溫度增加逐漸降低，在423 K時(shí)，La7O6(BO3)(PO4)2∶0.08Eu3+熒光粉的發(fā)光強(qiáng)度為室溫下強(qiáng)度值的80.1%，La7O6(BO3)(PO4)2∶0.10Tb3+熒光粉的則為常溫下的81.4%，表明兩種熒光材料具有良好的熱穩(wěn)定性。結(jié)果表明，La7O6(BO3) (PO4)2∶Eu3+系列熒光粉和La7O6(BO3)(PO4)2∶Tb3+系列熒光粉在三基色白光LED中具有較好的應(yīng)用前景。

Acknowledgements:The author thanked the National Natural Science Foundation of China(Grant No.51572245)and Student Innovation Project of China University of Geosciences (Beijing)(Grant No.201511415023)for the financial support.

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LI Shi-LongLü ChaoMIN Xin＊FANG Ming-HaoHUANG Zhao-HuiLIU Yan-Gai

(Beijing Key Laboratory of Materials Utilization of Nonmetallic Minerals and Solid Wastes,National Laboratory of Mineral Materials, School of Materials Science and Technology,China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083,China)

Preparation and Luminescence Properties of La7O6(BO3)(PO4)2∶Tb3+/Eu3+Phosphors

采用優(yōu)化的高溫固相方法制備了稀土離子Eu3+和Tb3+摻雜的La7O6(BO3)(PO4)2系熒光材料，并對(duì)其物相行為、晶體結(jié)構(gòu)、光致發(fā)光性能和熱穩(wěn)定性進(jìn)行了詳細(xì)研究。結(jié)果表明，La7O6(BO3)(PO4)2∶Eu3+材料在紫外光激發(fā)下能夠發(fā)射出紅光，發(fā)射光譜中最強(qiáng)發(fā)射峰位于616 nm處，為5D0→7F2特征能級(jí)躍遷，Eu3+的最優(yōu)摻雜濃度為0.08，對(duì)應(yīng)的CIE坐標(biāo)為(0.610 2，0.382 3)；La7O6(BO3) (PO4)2∶Tb3+材料在紫外光激發(fā)下能夠發(fā)射出綠光，發(fā)射光譜中最強(qiáng)發(fā)射峰位于544 nm處，對(duì)應(yīng)Tb3+的5D4→7F5能級(jí)躍遷，Tb3+離子的最優(yōu)摻雜濃度為0.15，對(duì)應(yīng)的CIE坐標(biāo)為(0.317 7，0.535 2)。此外，對(duì)2種材料的變溫光譜分析發(fā)現(xiàn)Eu3+和Tb3+摻雜的La7O6(BO3)(PO4)2熒光材料均具有良好的熱穩(wěn)定性。

熒光材料；光致發(fā)光；Eu3+；Tb3+；La7O6(BO3)(PO4)2

phosphors;photoluminescence properties;Eu3+;Tb3+;La7O6(BO3)(PO4)2

O614.33

A

1001-4861(2017)05-0761-08

10.11862/CJIC.2017.086

2016-12-22。收修改稿日期：2017-03-13。

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目(No.201511415023)資助。

＊通信聯(lián)系人。E-mail：minx@cugb.edu.cn

Abstrast:La7O6(BO3)(PO4)2∶Tb3+and La7O6(BO3)(PO4)2∶Eu3+phosphors were prepared by a high-temperature solid state reaction,and the phase behavior,crystal structure,luminescence properties and thermal stability were investigated.The La7O6(BO3)(PO4)2∶Eu3+phosphors emitted a red light under the ultraviolet excitation.The emission maximum was at 616 nm,corresponding to the5D0-7F2transition of Eu3+.The concentration quenching phenomenon was observed when the doping concentration of Eu3+ion was beyond 0.08.The corresponding CIE coordinates were calculated to be(0.610 2,0.382 3).The La7O6(BO3)(PO4)2∶Tb3+phosphors emitted a green light under the ultraviolet excitation.The emission maximum was at 544 nm,corresponding to the5D4-7F5transition of Tb3+.Concentration quenching phenomenon was observed when the concentration of Tb3+ion was beyond 0.15, and its CIE coordinates are calculated to be(0.317 7,0.535 2).Based on the analysis of temperature-dependent emission spectra of La7O6(BO3)(PO4)2∶Tb3+and La7O6(BO3)(PO4)2∶Eu3+phosphors,it can be found that both phosphors possess good thermal stability.