Li+、Na+和Eu3+共掺Lu2O3的制备及发光特性研究

庹 娟， 王林香*， 李 敏

(1. 新疆师范大学 物理系， 新疆 乌鲁木齐 830054； 2. 新疆师范大学 矿物发光及其微结构重点实验室， 新疆 乌鲁木齐 830054；3. 新疆师范大学 理论物理自治区重点学科， 新疆 乌鲁木齐 830054)



Li+、Na+和Eu3+共掺Lu2O3的制备及发光特性研究

庹 娟1,2,3， 王林香1,2,3*， 李 敏1,2,3

(1. 新疆师范大学 物理系， 新疆 乌鲁木齐 830054； 2. 新疆师范大学 矿物发光及其微结构重点实验室， 新疆 乌鲁木齐 830054；3. 新疆师范大学 理论物理自治区重点学科， 新疆 乌鲁木齐 830054)

用高温固相法合成了不同掺杂浓度的Li+、Na+和Eu3+共掺Lu2O3闪烁体发光材料，使用XRD进行结构表征，用扫描电镜观察了样品形貌，测量了激发光谱、发射光谱，分析了Li+、Na+和Eu3+的掺杂浓度以及温度对合成样品发光强度的影响。结果显示，Li+、Na+掺杂摩尔分数分别为2.5%和1%，在800 ℃空气中煅烧2 h制备的Lu2O3∶5%Eu3+样品的发光最强。在同样条件下，比单掺2.5%Na+的样品发光强度提高1.89倍，比单掺2.5%Li+的样品发光强度提高3.97倍，比不掺Li+和Na+的样品发光强度提高6.43倍。

闪烁体； Li+、Na+和Eu3+共掺Lu2O3； 高温固相法； 发光强度

1 引 言

2 实 验

实验所用原料为Lu2O3(99.99%)、Eu2O3(99.99%)、NaOH(96%)和Li2CO3(化学纯)。本实验采用高温固相法来制备样品。依据文献[13]，Eu3+掺杂摩尔分数为5%时，Lu2O3∶Eu3+纳米粉末的发光最强。按该掺杂浓度，将表1所列各种药品用AL104电子天平称量好。用玛瑙研钵把混合物研磨40 min后，装入石英玻璃坩埚，放入PHOENIX微波马弗炉在空气中800 ℃下煅烧2 h。煅烧完成后，把石英玻璃坩埚放在冷凝台上使样品迅速骤冷至室温。

表 1 Li+、Na+和Eu3+共掺Lu2O3材料的制备

Tab.1 Preparation of Li+, Na+and Eu3+co-doped Lu2O3materials

序号Eu3+Na+Li+15%0%0%25%2.5%0%35%0%2.5%45%1%2.5%

使用XRD-6100衍射仪对粉体进行物相分析，用SUPRA 55VP扫描电镜观测粉体的表面形貌，用FLS920荧光光谱仪测量样品的激发光谱与发射光谱。所有测试都在室温下进行。

3 结果与讨论

使用ZF-2型三用紫外仪观察按表1制备好的4个样品。在波长为253.7 nm的紫外仪照射下，1号样品呈现浅粉色荧光，2号样品呈现粉色荧光，3号样品呈现红色荧光，4号样品呈现强红色荧光。在波长为365.0 nm的紫外仪照射下，1～3号样品均无荧光，4号样品呈现粉色荧光。室温下4个样品均为米白色。

3.1 样品的XRD图谱

图1是Lu2O3∶5%Eu3+,2.5%Li+,1%Na+在空气中煅烧2 h获得的粉末样品的XRD图谱。与标准的JCPDS卡片对比，样品的XRD图谱中的衍射峰位置与标准卡片吻合。由此可知，Li+、Na+和Eu3+取代了部分Lu3+或位于填隙位，完全掺入Lu2O3基质晶格，说明Li+、Na+和Eu3+阳离子的掺入不影响Lu2O3的立方相结构[14]。

图1 Li+、Na+和Eu3+共掺Lu2O3 的X射线衍射图谱。Fig.1 XRD patterns of Li+, Na+ and Eu3+ co-doped Lu2O3.

3.2 样品的表面形貌

图2是Lu2O3∶ 5%Eu3+,2.5%Li+,1%Na+在空气中800 ℃下煅烧2 h获得的纳米粉体在不同位置的SEM照片。其中(a)、(b)两形貌是将少量的样品用无水乙醇稀释并进行30 min的超声振荡后得到的SEM 照片。而(c)、(d)两形貌是用牙签沾取少量的样品抖在导电胶带上得到的SEM 照片。(a)、(b)的分散性较好，(c)、(d)的分散性相对来说一般。样品接近球形，颗粒度约为50～80 nm。

图2 Li+、Na+和Eu3+共掺Lu2O3的形貌。

3.3 激发光谱和发射光谱

图3是所合成的1～4号样品在611 nm波长监测下的激发光谱。250 nm附近的激发带归属于O2-的2p轨道向Eu3+的4f轨道的跃迁(CTB)[15]，说明基质氧化镥对发光有贡献。波长大于280 nm的弱激发峰是由Eu3+自身的4f层的f-f能级跃迁所引起的。掺杂不同离子可以影响激发峰的位置，基质氧化镥传递到Eu3+的能量多少由波峰位置的位移来体现[16]。与无掺杂样品的激发峰相比，2号、3号和4号样品的激发峰位置基本不变，但它们的跃迁峰值随序号1～4在依次增加，说明基质传递给Eu3+的能量在增加。

图3 不同掺杂浓度的Li+、Na+和Eu3+共掺Lu2O3的激发光谱。

Fig.3 Excitation spectra of Li+, Na+and Eu3+co-doped Lu2O3with different concentrations.

图4 不同掺杂浓度的Li+、Na+和Eu3+共掺Lu2O3的发射光谱。

Fig.4 Emission spectra of Li+, Na+and Eu3+co-doped Lu2O3with different concentrations.

温度对Lu2O3∶5%Eu3+,2.5%Li+,1%Na+粉末的发光强度影响如图5所示。当煅烧温度从600 ℃上升到800 ℃时，样品的发光强度明显提高；而当煅烧温度从800 ℃上升到1 000 ℃时，样品的发光反而减弱。当煅烧温度较低时，只有少量的Eu3+能进入到Lu2O3的晶格结构中，所以随着温度的升高，反应完全，发光中心Eu3+浓度增加，发光增强。当温度升高到800 ℃时，Lu2O3∶5%Eu3+,2.5%Li+,1%Na+粉末的发光强度达到最大。温度继续升高时，过高的温度导致晶粒继续长大，晶粒之间的接触面积增加，容易形成较大的团聚体颗粒，发光强度反而下降。

图5 Lu2O3∶5%Eu3+,2.5%Li+,1%Na+在不同温度下的发光强度

Fig.5 Emission intensity of Lu2O3∶5%Eu3+,2.5%Li+, 1%Na+calcined at different temperature

4 结 论

使用高温固相法制备了不同掺杂浓度的Li+、Na+和Eu3+共掺的Lu2O3纳米粉体，Li+、Na+和Eu3+阳离子的掺入不影响Lu2O3的立方相结构。样品接近球形，颗粒度约为50～80 nm。当Li+、Na+掺杂浓度为2.5%、1%时，在温度为800 ℃的空气中煅烧2 h制备的Lu2O3∶5%Eu3+样品的发光最强，其发光强度是同一条件下单掺2.5%Na+的1.89倍，是单掺2.5%Li+的3.97倍，是不掺Na+和Li+样品的6.43倍。实验结果表明，掺杂Li+、Na+可以有效改善基质材料的能量吸收和转移，提高Lu2O3∶Eu3+荧光粉的发光效率。

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庹娟(1990-)，女，四川广安人，硕士研究生，2015年于新疆师范大学获得学士学位，主要从事纳米发光材料的研究。

E-mail: 1498970687@qq.com

王林香(1979-)，女，甘肃秦安人，博士，副教授，2010年于中国科学技术大学获得博士学位，主要从事纳米发光材料的研究。

E-mail: wanglinxiang23@126.com

Preparation and Luminescence Properties of Li+, Na+and Eu3+Co-doped Lu2O3

TUO Juan1,2,3, WANG Lin-xiang1,2,3*, LI Min1,2,3

(1.DepartmentofPhysics,XinjiangNormalUniversity,Urumqi830054,China; 2.KeyLaboratoryofNovelLuminescentMaterialsandNanostructures,XinjiangNormalUniversity,Urumqi830054,China; 3.KeyDisciplinaryAreasofTheTheoreticalPhysicsofTheXinjiangAutonomousRegion,XinjiangNormalUniversity,Urumqi830054,China)*CorrespondingAuthor,E-mail:wanglinxiang23@126.com

Li+, Na+and Eu3+co-doped Lu2O3phosphors were synthesized by the high temperature solid-state reaction. The structure of the sample was characterized by XRD, the morphology was observed with scanning electron microscope, the excitation spectra and emission spectra were measured, and the effects of Li+, Na+and Eu3+dopingconcentration and the calcined temperature on the luminescence intensity of the synthesized samples were analyzed. The results show that the emission of the sample with 2.5%Li+, 1%Na+and 5%Eu3+co-doped Lu2O3is the strongest in the four samples calcined at 800 ℃ in the air for 2 h. In the same condition, the luminous intensity of Lu2O3∶5%Eu3+,2.5%Li+, 1%Na+is 1.89 times than that only with 2.5%Na+doping, 3.97 times than that only with 2.5%Li+doping, and 6.43 times than that without Li+and Na+doping.

scintillator; Li+, Na+and Eu3+co-doped Lu2O3; high temperature solid-state method; luminous intensity

1000-7032(2016)01-0028-05

2015-09-11；

2015-11-16

新疆维吾尔自治区自然科学基金(2012211B16)资助项目

O482.31

A

10.3788/fgxb20163701.0028