新型Y(Zr)AG:Ce,Eu荧光粉的合成与表征

2021-11-10 02:10王佳诺
科学与生活 2021年17期
关键词:组分红光图谱

王佳诺

摘要:在本文中,采用Ce、Eu、Zr共掺杂YAG基体,其中Zr作为荧光粉基质材料,Ce和Eu作为发光中心,从而制备出一种全新的Y(Zr)AG:Ce, Eu荧光粉。

1引言

传统的蓝色晶体和黄色荧光粉组合因缺少红光成分而显色性较差,光源显示冷光,饱和度差。因此,改性YAG:Ce荧光粉,使其添加红光成分,成为一种提高YAG:Ce荧光粉发光性能的新型途径。

Eu3+的最外层电子结构为4f6,其发射光谱波长位于红色区域,在发光材料和LED显示方面,用Eu3+进行了较多的掺杂。因此考虑到对YAG基体进行Ce、Eu共掺杂,从而制备同时发黄光和红光的荧光粉。

锆酸盐具有高熔点、低导热系数、高化学稳定性、优良的离子导电性等优良性能。锆酸盐广泛应用于许多领域,如热障涂层材料、耐火材料和发光材料。锆酸盐作为一种具有优异发光性能的基质材料,近年来在稀土发光材料领域得到了广泛的应用。

2结构分析

之前的文献中已确定Ce和Eu的最佳掺杂比例为xCe=0.06,xEu=0.06,故固定采用此掺杂浓度。

从不同Zr掺杂量的Y(Zr)AG:Ce,Eu样品的XRD图谱中可以看出,当掺杂浓度为xZr=0.5和1时,样品的衍射图谱表明,所有峰均符合YAG相(PDF#88-2047)的立方石榴石结构,没有发现其他晶相。在其他XRD图谱上,当掺杂浓度为xZr=1.5时,出现了Zr5Al3O0.5(PDF#82-0494)弱主峰。当掺杂浓度为xZr=2时,YAG和Zr5Al3O0.5相同时出现。结果表明,随着Zr掺杂浓度的增加,样品不再是单一的YAG相,出现了Zr5Al3O0.5的六方结构。

从离子半径的角度出发,Y、Al、Ce、Eu、Zr的离子半径与配位情况可以看出,六配位的Y、Ce、Eu、Zr的离子半径比较接近,分别为Y(0.9)、Ce(1.01)、Eu(0.947)、Zr(0.72),而Al无论是四配位还是六配位,离子半径与上述离子相差很大(分别是0.39和0.535)。因此可以认为,Ce、Eu、Zr共掺杂后取代了Y的位置。

在其他图线上,当掺杂比例为1.5時,开始有的微弱的主峰出现。当掺杂比例为2时,同时出现了YAG和的相。这说明,当Zr的掺杂比例变大时,样品不是单一的YAG相了,六边形结构的出现了。

通过 MDI Jade 5.0 程序对Y(Zr) AG:Ce,Eu的XRD 谱线进行全谱拟合,计算结果表示,由于xZr=2的主相不再是YAG,故不对其进行全谱拟合。可以看出,掺杂Zr的荧光粉的其晶胞参数与立方晶系Y3Al5O12:Ce,Eu基本一致, Zr的掺杂并没有使样品主体的晶体结构发生明显的变化。但是可以看到,随着Zr掺杂浓度的增加,相应的晶胞参数逐渐减小,这是由于 Zr的离子半径(0.072nm, CN= 6)小于 Y的离子半径(0.09nm,CN= 6) ,Zr取代 Y会引起基质晶格的收缩。

3形貌分析

纯YAG的SEM照片可以看到颗粒尺寸很均匀,很少团聚,以1μm为单位放大,可以看出颗粒的最小尺寸为2μm。掺杂Zr的其他样品的SEM照片,以2μm为单位放大。其中xZr=0.5和xZr=1的样品颗粒尺寸小,分布均匀,不易团聚。尤其xZr=1的样品,最小颗粒也为2μm,粉体的颗粒很好。这是由于掺杂Zr之后,晶体结构收缩,从而粒径更小,结晶性更好。同时由于Zr是+4价,比Y3+多一个正电荷,故Zr取代Y之后,荧光粉颗粒间相互排斥,从而分布的更均匀,不容易团聚。然而,xZr>1以上的组分颗粒尺寸大,团聚现象严重。这是因为随着Zr掺杂浓度的增大,产生了杂相,颗粒之间相互影响,造成了团聚。

4发光性能分析

由于采用InGaN/GaN基蓝光二极管激发荧光粉来制备白光LED,故采用InGaN/GaN的蓝光发射波长460nm对制备的荧光粉进行激发,从而获得在460nm下的发射光谱。

可以看出未掺杂Zr的和Zr的掺杂量为0.5的样品,在530nm和692nm处各有一个尖锐的峰,分别是Ce3+和Eu3+的特征发射峰,分别对应于Ce3+的5D→2F5/2跃迁和Eu3+的5D0→7F4跃迁。而Zr掺杂量大于0.5的样品的发射光谱谱图,除了上述的两个峰外,在575nm、588nm、611nm和654nm处,也有相应的峰值。这些特征发射峰,分别对应于Eu3+的5D0→7F0、5D0→7F1、5D0→7F2、5D0→7F3跃迁。众所周知,Eu的发射光谱峰值和Eu在基质晶格中的位置有关。当Eu3+不取代基质晶格的对称中心的位置时,电偶极跃迁5D0→7F2会出现,而当Eu3+位于基质晶格的对称中心时,磁偶极跃迁5D0→7F1会出现。这说明,在Zr的掺杂浓度较低时(xZr=0和0.5),Ce取代Y的取代量较大,Eu取代了较少的y,没有占据中心对称和局域对称的Y的位置。而随之Zr掺杂浓度变大(xZr=1、1.5和2时),Y离子减少,Eu离子占据了中心对称和局域对称的位置,磁偶极跃迁和电偶极跃迁出现了。这说明当zr掺杂量增大时,橙红光组分增加,相比于xZr =0和xZr =0.5的样品,荧光粉的颜色更加多样化。

从不同掺锆磷光体的发射光谱强度可以看出,Ce3+的5D→2F5/2跃迁强度最高,因此在整个荧光粉中,绿-黄光强度最高。Eu3+的第二高峰强度为5D0→7F2,呈橙红色。结果表明,Eu3+发光强度以绿黄光最大(530nm),其次为橙红光(616nm),然后是5D0→7F0和5D0→7F1。比较不同Zr掺杂组分的样品,发现当掺杂比为xZr=1时,荧光粉各峰的发光强度最高。结合XRD和SEM分析表明,组成为xZr=1的荧光粉保持了YAG的结构,没有其他杂质。所得粉末形貌好,粒径小,分布均匀,无团聚现象。因此,可以确定磷光体的最佳掺杂比为xZr=1。通过掺杂锆,与YAG:Ce,Eu(xZr=0)比较,新型Y(Zr)AG:Ce,Eu荧光粉具有更高的色度和更多的橙红光波长。因此,新型Y(Zr)AG:Ce,Eu荧光粉是一种在白光LED领域应用的潜在色饱和荧光粉。

5结论

比较各掺杂组分的样品,可以看出当掺杂比例为xZr=1时,荧光粉的在各峰值的发光强度均为最高。结合XRD图和SEM图谱,该组分保持了YAG的结构没有其他杂项,粉体颗粒相貌好,尺寸小,分布均匀,无团聚。因此可以确定该荧光粉的最佳掺杂比例为xZr=1。通过掺杂Zr,相比于YAG:Ce,Eu(xZr =0),YAG荧光粉的色彩度更高了,增加了更多波长的橙红光。因此,荧光粉是一种潜在的色彩度饱和的荧光粉。

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