1 南昌大学材料科学与工程学院, 江西 南昌 330001
2 南昌大学江西省轻质高强结构材料重点实验室, 江西 南昌 330001
采用高温固相法在1 170 ℃还原气氛下保温3.5 h制备了(Ca1-xBax)1.95SiO4∶0.05Eu(x=0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0)系列新型荧光粉, 并研究了其基体晶相、 Eu离子价态、 光谱性能。 随着x值增大, 粉末物相组成发生如下改变: γ-Ca2SiO4(x=0)→T相和γ-Ca2SiO4混合物(0≤x<0.7)→T相(0.7≤x<0.9)→Ba2SiO4相(x≥0.9), 即(Ca1-xBax)2SiO4粉末只在富Ba端形成有限置换型固溶体, 即T相和Ba2SiO4相粉末。 点阵参数精确分析表明: 随着Ba离子增加, T相荧光粉(0.7≤x<0.9) 处于M1, M2, M5点位碱土离子配位数增大进而晶格参数增大较为明显, 而Ba2SiO4相荧光粉(x≥0.9)中碱土离子配位数无变化晶格参数变化也较小; Eu离子以取代碱土离子方式进入晶格, 对晶格影响较小。 T相和Ba2SiO4相荧光粉XPS全谱分析结果类似, 均出现Ba(3p3/2), Ba(3d3/2), Ba(3d5/2), O(1s), Eu(4d), Si(2p3/2)电子结合特征峰; 其O(1s)核心电子结合能精细谱也类似, 有2个光电子峰组成, 分别对应晶格氧、 间隙氧缺陷(Eu3+取代+2碱土离子造成); 进一步Eu(4d)高分辨XPS分析表明, 随着x值增大, T相粉末Eu2+/Eu3+比值增大(Eu离子形成+2可能性增大), 而Ba2SiO4相粉末Eu2+/Eu3+比值变化不明显。 在254和365 nm紫外激发下Ca1.95SiO4∶0.05Eu(γ-Ca2SiO4相荧光粉)可用作红色荧光粉, 而(Ca1-xBax)1.95SiO4∶0.05Eu(x≥0.7, 即T相(其绿光宽谱发射峰中心在455 nm附近)或Ba2SiO4相荧光粉(其绿光宽谱发射峰中心在510 nm附近))可用作绿色荧光粉; T相荧光粉绿光发射比Ba2SiO4相荧光粉绿光发射对应波长更短; 随着x值增加T相和Ba2SiO4相荧光粉发射光谱发生蓝移(即T相粉末中(Ca0.3Ba0.7)1.95SiO4∶0.05Eu绿光发射波长最长, Ba2SiO4相粉末中(Ca0.1Ba0.9)1.95SiO4∶0.05Eu 绿光发射波长最长); 随着x值增加, T相荧光粉亮度提高, 而Ba2SiO4相荧光粉亮度降低, 即(Ca0.1Ba0.9)1.95SiO4∶0.05Eu粉末的绿色荧光最亮(荧光寿命571.8 ns、 量子效率55%)。 由绿色荧光粉(x≥0.7)精细发射光谱可知: x值会影响Ba2SiO4相Eu2+占位倾向, x值越大Eu2+在Ba2SiO4相荧光粉中进入高配位点几率越小(x值小, Ca离子占据9配位点位, 有促进Eu离子倾向进入10配位作用), 但在T相中的x值作用则不明显。 由此可见: 改变固溶度(即控制x值), 可实现该系列荧光粉物相组成、 晶格参数、 离子价态、 荧光颜色及亮度的调控。
碱土硅酸盐 铕 晶体结构 X射线光电子谱 荧光光谱 Alkaline soil silicates Eu Crystal structure X-ray photoelectron spectroscopy Photoluminescence spectra 光谱学与光谱分析
2020, 40(6): 1895
1 南昌大学材料科学与工程学院, 江西 南昌 330001
2 南昌大学江西省轻质高强结构材料重点实验室, 江西 南昌 330001
采用高温固相法制备了新型(Mg1-x-yBaxSry)1.95SiO4∶0.05Eu荧光粉, 其中包括3个二元碱土离子配比系列和3个代表性三元碱土离子配比系列（Ba不变而Mg/Sr比连续变化、 Mg/Sr比不变而Ba含量连续变化）共计6个系列, 并研究其光谱性能（激发谱和发射谱）、 紫外（254和365 nm）发光照相记录及CIE值对应色像。 借鉴三元相图的建立思路, 由这些二元和代表性三元数据推导三元色像图, 用于新型荧光粉的系统开发。 所制备的荧光粉系列包括： Mg2SiO4-Sr2SiO4, Ba2SiO4-Sr2SiO4, Mg2SiO4-Ba2SiO4, Ba原子比含量为0.2（Mg/Sr原子比连续变化）, Ba原子比含量为0.6（Mg/Sr原子比连续变化）, Mg/Sr原子比为1/4（Ba原子比含量连续变化系列）。 其对应的254 nm激发下光谱性能、 发光照相记录、 和CIE色像分析表明： Eu离子可以三价和二价形式存在于(Mg1-x-yBaxSry)2SiO4中； 二元系列中(Mg1-xBax)2SiO4和(Ba1-ySry)2SiO4基体中随着Ba原子比的增加荧光粉逐渐由红(对应Eu3+ 5D0→7F1和5D0→7F2电子跃迁窄带发射)变绿(对应Eu2+ 4fn-15d→4fn电子跃迁发射宽带发射)且前者变化的更快； 二元系列中(Mg1-ySry)2SiO4系列为红色荧光粉, 且随着Sr含量增加红色发光增大； 三元系列中(Bax(Mg0.2Sr0.8)1-x)2SiO4（Mg/Sr=1/4）随着Ba离子量增加荧光粉也逐渐由红变绿, 其变化速度介于Mg/Sr比等于0（即Ba2SiO4-Sr2SiO4系列）和Mg/Sr比等于∝（即Ba2SiO4-Mg2SiO4系列）； 三元系列中(Ba0.2SryMg0.8-y)1.95SiO4为红色荧光粉, 而(Ba0.6SryMg0.4-y)2SiO4随着Mg/Sr原子比增加逐渐由红转蓝绿光。 365 nm激发下荧光发射的变化规律与254 nm激发下大体一致, 但是同一样品在365 nm激发下其绿光波段发射要比254 nm激发要强且其红光波段发射要比254nm激发要弱, 故(Mg1-xBax)2SiO4, (Ba1-ySry)2SiO4, (Bax(Mg0.2Sr0.8)1-x)2中对应的由红变绿时Ba含量分别为40at%, 60at%, 60at%（254 nm激发下60at%, 80at%, 70at%）且(Ba0.6SryMg0.4-y)2SiO4中由红变绿的Mg/Sr比为1/4（254 nm激发下为2/3）。 据此建立Eu掺杂Ba2SiO4-Mg2SiO4-Sr2SiO4紫外激发色像图。 借由色像图可知(Mg1-x-yBaxSry)1.95SiO4∶0.05Eu荧光粉紫外激发下发射光变化规律, 即基体组分靠近Ba2SiO4端发射绿色而靠近Mg2SiO4或Sr2SiO4端发射红色, Mg/Sr比越大随着Ba原子的增加荧光粉的由红转绿的速度越快； 同一样品在365 nm激发下其绿光波段发射要比254 nm激发要强且其红光波段发射要比254 nm激发要弱, (Mg1-x-yBaxSry)1.95SiO4∶0.05Eu荧光粉中当Ba>80at%, Mg>90at%(或Sr>80at%)荧光粉可分别用作高效绿色、 红色荧光粉； 此外, 当组分为(Mg0.8Sr0.2)1.95SiO4∶0.05Eu, (Ba0.8Mg0.16Sr0.04)1.95SiO4∶0.05Eu是紫外激发下（254和365 nm）最好的红色和绿色荧光粉。
碱土硅酸盐 荧光粉 高温固相法 铕掺杂 紫外激发 Alkaline earth silicate Phosphor Solid state reaction method Eu-doped Ultraviolet excitation
1 南昌大学 材料科学与工程学院, 江西 南昌 330001
2 南昌大学 江西省轻质高强结构材料重点实验室, 江西 南昌 330001
为了研究随着三元碱土离子配比变化其正硅酸盐物相组成、发光性能的变化规律, 优选高效荧光粉,同时探讨单相区和混合相区发光性能的变化内在机制, 建立组分-结构-发光性能关联, 本文采用高温固相法制备(Mg1-x-yBaxSry)1.95SiO4∶0.05Eu系列荧光粉, 共计44个样, 分析其二元、三元物相组成和光谱, 得出其物相组成和紫外激发发光CIE值。实验表明, (Mg1-x-yBaxSry)1.95SiO4∶0.05Eu体系中物相组成随着组元含量存在渐变性; 富Ba端形成了Ba2SiO4相单相区(Sr最大量含量为35%、Mg为30%), 单相区随着Sr2+、Mg2+固溶, 晶格常数减小, 结晶度提高。(Mg1-x-yBaxSry)1.95SiO4∶0.05Eu荧光粉在紫外激发下其颜色和亮度随着组元含量也呈现渐变性, Ba2SiO4相单相区荧光粉均为绿色荧光粉且随着Sr2+、Mg2+固溶荧光亮度逐渐增大(精细光谱表明单相区内Mg2+、Sr2+离子有促进Eu2+离子进入高发光效率的格位的效果); Mg2SiO4-Sr2SiO4二元系列为红色荧光粉; 单相区外的样品点随着Ba2+的减少, 荧光粉紫外激发荧光颜色逐渐由绿变红(混合物相中Eu离子配位空间逐渐减小, Eu离子逐渐以Eu3+离子形式存在)。 (Mg1-x-yBaxSry)1.95SiO4∶0.05Eu系列荧光粉的相组成、结构及发光性能随组元呈现渐变性关系, 借鉴相图建立方法, 可建立三元色像图(由样品发射光谱得出的CIE色像点, 基于散点分布建立色像图); 利用三元色像图可系统性优选高效荧光粉(优选出最佳绿色和红色荧光粉样品点为: (Mg0.3Ba0.65Sr0.05)1.95SiO4∶0.05Eu和(Mg0.65Sr0.35)1.95SiO4∶0.05Eu)。
碱土硅酸盐 铕离子 相图 荧光 CIE值 alkaline earth silicate europium ion phase diagram luminescent CIE
1 南昌大学 材料科学与工程学院, 江西 南昌 330001
2 南昌大学 江西省轻质高强结构材料重点实验室, 江西 南昌 330001
采用高温固相法在空气氛围下在1 150 ℃制备(Mg1-xSrx)2SiO4 (x=0~1)粉末。物相分析表明, 随着Sr离子含量由小到大, (Mg1-xSrx)2SiO4基质晶相组成将发生如下变化: γ-Mg2SiO4、β-Mg2SiO4混合相(x=0)→α-Sr2SiO4、β-Sr2SiO4、γ-Mg2SiO4、β-Mg2SiO4、Sr3MgSi2O8混合相(0.2≤x≤0.8)→α-Sr2SiO4和β-Sr2SiO4混合相(x=1); 当x=0.2时主晶相为高温β-Mg2SiO4, 而在x=0时主晶相为低温γ-Mg2SiO4。紫外发光照相和光谱表明, 当x=0.2时, (Mg1-xSrx)1.96SiO4∶0.04(Eu3+,F-)红光发射亮度最大。进一步晶体结构分析发现Sr离子可以固溶入β-Mg2SiO4使得β-Mg2SiO4更为稳定, 同时晶格略微增大; 化学配比为(Mg0.8Sr0.2)2SiO4粉末在1 250 ℃煅烧可以得到平均粒径为21.68 μm的单相β-Mg2SiO4粉末。对于单相(Mg0.8Sr0.2)2-ySiO4∶y(Eu3+,F-)系列荧光粉, 其XPS分析表明Eu离子以三价进入晶格; 光谱分析表明在365 nm和254 nm激发下, 有595, 615（主峰）, 655, 705 nm红光锐峰发射（对应5D0→7Fn, n=1,2,3,4）; 且y=0.04为最佳铕离子掺杂浓度（此时其量子效率、寿命均达到最大）; 基于Blasse理论可判断铕离子间能量传递方式为基于辐射跃迁的电四极-电四极作用。=
碱土硅酸盐 晶体结构 荧光光谱 能量传递 alkaline earth silicate crystal structure photoluminescent spectra energy transfer
