溶胶-凝胶法制备稀土掺杂硅酸盐基荧光粉及其发光性能的研究

论文摘要

白光LED作为新一代的绿色照明光源,具有轻便、寿命周期长、发光效率高、低成本等优点。目前,单芯片荧光粉的转换是实现白光LED的主要方式。因此,荧光粉的发光性能对白光LED的发光具有重要影响。此外,荧光粉的发光性能与其基质材料的物理化学性能紧密相关。所以选择一种具有良好物理化学性能的材料作为荧光粉的基质十分关键。硅酸盐具有物理化学性质稳定,原料廉价易得,合成工艺简单等优点,是稀土荧光粉理想的基质材料。以硅酸盐作为基质的稀土荧光粉的研究经常被报道。因硅酸盐具有稳定的晶体结构,使得其在白光LED及显示照明领域具有重要的应用价值。本文采用溶胶-凝胶法制备了Eu3+、Tb3+、Ce3+稀土离子单掺杂以及双掺杂M3MgSi2O8（M=Sr,Ba）硅酸盐的三种稀土荧光粉,研究了煅烧温度及稀土离子掺杂浓度对其发光性能的影响,并深入探讨了稀土离子之间的相互作用机制。本文主要研究内容如下:1.采用溶胶-凝胶法制备了Sr3MgSi2O8:Eu3+红色荧光粉。研究了煅烧温度对样品形貌以及发光性能的影响。当煅烧温度为1150℃时,得到的荧光粉的比表面积最大,为90.21m2/g;所有样品在394 nm的激发波长下,均在614 nm和702 nm处出现了强发射峰,分别对应于Eu3+的5D0→7F2和5D0→7F4跃迁,属红光发射。通过比较不同煅烧温度处理后样品的发光强度,当煅烧温度为1150℃时,Sr3MgSi2O8:Eu3+红色荧光粉的发光强度最大,即得到最佳的煅烧温度为1150℃。2.采用溶胶-凝胶法制备了单一基质可调色荧光粉Sr3-x-yMgSi2O8:xEu3+,yTb3+（x=0%、1%、2%、4%、6%、8%,y=0%、0.5%、1%、2%、4%、6%、8%）。研究了Eu3+、Tb3+的掺杂浓度与发光性能的关系,发现Tb3+对Eu3+的发光具有敏化作用,而Eu3+对Tb3+的发光具有削弱作用,即存在Tb3+→Eu3+的单向能量传递。通过荧光寿命曲线方程拟合计算得到Sr2.9MgSi2O8:8%Eu3+,2%Tb3+中Tb3+→Eu3+能量传递效率达35.98%。通过Forster-Dexter理论,研究了Tb3+→Eu3+的能量传递作用机制,发现其是通过电偶极-电偶极相互作用来实现能量传递的。其中,Sr2.95MgSi2O8:3%Eu3+,2%Tb3+荧光粉的热活化能Ea值为0.309 eV,表现出很好的热稳定性。3.采用溶胶-凝胶法制备了Tb3+、Ce3+共掺杂颜色可调的Ba3MgSi2O8:xCe3+,yTb3+荧光粉,研究了Tb3+、Ce3+离子掺杂浓度与其发光性能的关系。得到Tb3+的最佳掺杂浓度为8%。随着Ce3+浓度的增大,荧光粉Ba2.94-xMgSi2O8:xCe3+,6%Tb3+中与Tb3+相对应的发射峰（544nm）先增大后减小,当Ce3+的掺杂浓度为8%时,Tb3+的发光强度最强;而在荧光粉Ba2.92-yMgSi2O8:8%Ce3+,yTb3+中,随着Tb3+掺杂浓度的增大,与Ce3+对应的发射峰值416 nm逐渐减小。即在荧光粉Ba3MgSi2O8:xCe3+,yTb3+中,存在Ce3+→Tb3+的能量传递。同时,通过荧光寿命曲线方程拟合计算得到Ba2.84MgSi2O8:8%Tb3+,8%Ce3+荧光粉中Ce3+→Tb3+能量传递效率达34.64%。研究了Ce3+→Tb3+的能量传递作用机制,发现其是通过相互交换作用来实现能量传递。荧光粉Ba2.84MgSi2O8:8%Tb3+,8%Ce3+的热活化能Ea值为0.113 eV。以上研究结果表明,通过选择合适的稀土离子和优化制备过程中的煅烧温度及其他工艺条件可以提升荧光粉的发光性能。同时,本文制备出来的三种荧光粉中,Sr3-x-yMgSi2O8:xEu3+,yTb3+荧光粉不仅颜色可调,并且热稳定性好,相比于其他两种荧光粉,Sr3-x-yMgSi2O8:xEu3+,yTb3+荧光粉最具有应用价值。

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第一章绪论

1.1 前言

1.2 稀土离子的能级结构和发光

3+、Tb³⁺、Ce³⁺发光性质'> 1.2.1 Eu³⁺、Tb³⁺、Ce³⁺发光性质

1.3 稀土荧光粉的基质体系

1.3.1 金属氧化物、硫化物、硫氧化物体系

1.3.2 金属卤磷酸盐体系

1.3.3 金属铝酸盐体系

1.3.4 金属硅酸盐体系

1.4 稀土荧光粉的制备方法

1.4.1 溶胶-凝胶法

1.4.2 高温固相法

1.4.3 燃烧法

1.4.4 水热法

1.4.5 微波法

1.4.6 沉淀法

1.5 选题依据及主要研究内容

第二章实验部分

2.1 实验药品

2.2 实验仪器

2.3 荧光粉的制备

3MgSi₂O₈：Eu³⁺红色荧光粉的制备'> 2.3.1 Sr₃MgSi₂O₈：Eu³⁺红色荧光粉的制备

3MgSi₂O₈:Eu³⁺,Tb³⁺颜色可调荧光粉的制备'> 2.3.2 Sr₃MgSi₂O₈:Eu³⁺,Tb³⁺颜色可调荧光粉的制备

3MgSi₂O₈:Ce³⁺,Tb³⁺颜色可调荧光粉的制备'> 2.3.3 Ba₃MgSi₂O₈:Ce³⁺,Tb³⁺颜色可调荧光粉的制备

2.4 荧光粉的表征

2.4.1 X-射线粉末衍射（XRD）

2.4.2 扫描电子显微镜（SEM）

2.4.3 傅立叶变换红外光谱（FT-IR）

2.4.4 X射线光电子能谱（XPS）

2.4.5 荧光光谱

2.4.6 荧光寿命、热猝灭及量子效率

3MgSi₂O₈:Eu³⁺红色荧光粉及其发光性能研究'>第三章溶胶-凝胶法合成Sr₃MgSi₂O₈:Eu³⁺红色荧光粉及其发光性能研究

3.1 引言

3.2 结果与讨论

3.2.1 物相分析

3.2.2 形貌分析

3.2.3 红外光谱分析

3.2.4 发光性能分析

3.2.5 X射线光电子能谱（XPS）分析

3.2.6 荧光粉的比表面积分析

3.3 本章小结

3MgSi₂O₈:Eu³⁺,Tb³⁺及其发光性能研究'>第四章溶胶-凝胶法制备单一基质可调色荧光粉Sr₃MgSi₂O₈:Eu³⁺,Tb³⁺及其发光性能研究

4.1 引言

4.2 结果与讨论

4.2.1 物相分析

4.2.2 形貌分析

4.2.3 红外光谱分析

4.2.4 发光性能分析

4.2.5 能量传递物理机制研究

4.2.6 热稳定性分析

4.2.7 荧光粉的色坐标

4.3 本章小结

3MgSi₂O₈:Tb³⁺,Ce³⁺及其发光性能研究'>第五章溶胶-凝胶法制备单一基质可调色荧光粉Ba₃MgSi₂O₈:Tb³⁺,Ce³⁺及其发光性能研究

5.1 引言

5.2 结果与讨论

5.2.1 物相分析

5.2.2 扫描电镜形貌与能谱分析

5.2.3 发光性能分析

5.2.4 能量传递物理机制研究

5.2.5 热稳定性分析

5.3 本章小结

第六章结论与展望

6.1 结论

6.2 不足与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 贺江凡

导师: 舒庆

关键词: 溶胶凝胶法,荧光粉,发光强度,颜色可调,能量传递

来源: 江西理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,有机化工

单位: 江西理工大学

基金: 国家自然科学基金(21206062,21466013),江西省自然科学(青年)基金计划重大项目(20143ACB21018),江西理工大学青江青年英才支持计划,化学工程联合国家重点实验室(清华大学)开放课题基金(SKL-chE-14A04)

分类号: TQ422;O482.31

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