Eu2+掺杂MgY2Al3Si2O11N青光荧光粉的制备和发光性能

李莉宇 时秋峰 郭海洁 崔彩娥 黄 平 王 磊

(太原理工大学物理学院，晋中 030600)

近年来，随着社会经济的快速发展，能源和环境之间的矛盾日益突出。白光发光二极管(WLED)作为一种新型环保的固态照明光源，自从问世以来，深受人们重视。WLED相较于传统照明光源有寿命长、效率高、抗恶劣环境、环保无污染等优点[1‑2]，广泛应用于照明、显示、通信等领域[3]。WLED是由LED芯片和可被LED芯片有效激发的荧光粉组合而成。目前，商用白光大多是由蓝光LED芯片和黄色YAG∶Ce3+荧光粉合成[4]。但是由于YAG∶Ce3+荧光粉缺少红色成分，这种方式组成的WLED器件显色指数低(CRI<80)、相关色温高(CCT>5 000 K)，不适合室内照明[5‑6]。因此研究者们通常采用另一种合成白光的方式，即利用近紫外LED芯片激发红、绿、蓝荧光粉合成白光[7]，这种方式组成的WLED器件显色指数高，相关色温低[8‑9]，但是光谱中仍然缺少青光成分，即“青色间隙”[10]，因此制备高质量的青光荧光粉已经成为国内外研究的重点。Schnick等制备的青光荧光粉Sr[Be6ON4]∶Eu2+，只能被蓝光激发，发光效率较低且合成条件非常苛刻[11]。Liang等报道了一种高量子效率的BaLu2Al2Ga2SiO12∶Ce3+青光荧光粉，同样只能被蓝光激发[12]。Zhang等制备的可被近紫外光激发的RbBa2(PO3)5∶Eu2+青光荧光粉虽然具有良好的热稳定性，但是其制备过程复杂[13]。Leng等在2021年报道了n‑UV激发的掺杂Bi3+的青光荧光粉，在全光谱WLED中有潜在应用[14]。因此，开发一种较易制备的可被近紫外光激发的青色荧光粉仍然是目前迫切解决的问题。

在众多的基质材料中，石榴石材料因结构稳定、性能优异而备受关注，例如使用最广泛的商用黄色荧光粉YAG：Ce3+就是典型的石榴石结构。稀土离子能级丰富，组态众多，是发光材料中有效的激活剂。由于4f7→4f65d1的电子跃迁，Eu2+离子展现出较宽的激发和发射光谱[15‑16]，而且Eu2+的发光受外部晶体场环境影响较大，可以通过调节基质获得不同的发光颜色。近年来，人们将Eu2+掺入不含氮的石榴石结构中，一般情况下获得发光为蓝色的荧光粉。如Chen等制备了Lu2CaMg2Si3O12∶Eu2+蓝色荧光粉，发光峰位于450 nm[17]，Bao等采用高温固相法制备了Mg2Y2Al2Si2O12∶Eu2+蓝色荧光粉，发光峰位于458 nm[18]，显然，Eu2+掺杂不含氮石榴石材料的荧光粉发光位置不满足青光荧光粉的需求。氮氧化物作为基质材料有明显优势[19]，因此氮氧化物荧光粉一直是荧光材料研究的热点之一。首先氮氧化物结构稳定、无毒无害、不易潮解[20‑21]；其次在氮氧化物晶格中引入激活离子(Ce3+、Eu2+)后，激活离子周围会被氮原子包围，形成更强的共价键和较短的配位离子与金属离子间距离，从而使得Ce3+和Eu2+的发射光谱红移[22]。但是，氮氧化物也存在制备工艺复杂、合成成本高、需要高温高压等缺点[23]。目前，一种将Si4+‑N3-掺入石榴石晶格中的新型氮氧化物石榴石引起了人们注意，它既有石榴石的刚性，又有氮氧化物的高共价性，并且合成过程简单，较易制备。Setlur等采用传统的高温固相法在1 400～1 550℃下制备了Y3Al5-xSixO12-xNx∶Ce3+荧光粉。研究发现，由于Si4+‑N3-的加入，Y3Al5-xSixO12-xNx∶Ce3+荧光粉表现出更高的热稳定性并且其发射光谱发生红移[24]。Liu等利用高温固相法在1 100～1 300℃制备了 Ca2.97Sc2Si3O12-6xN4x∶0.03Ce3+荧光粉，同样，Si4+‑N3-加入后其发射光谱也发生了红移[25]。陈加成等采用协同阳离子取代的方法制备Y(2.94-x)ZrxAl(5-y)SiyO(12-z)Nz∶0.06Ce3+(x=y=0.5；x=1，y=0.5；x=y=1)荧光粉，其发射光谱相较于YAG∶Ce3+红移了26 nm[26]。在上述研究的启发下，我们在Mg2Y2Al2Si2O12基础上加入N3-离子，将Eu2+掺杂在这种新型氮氧化物石榴石材料MgY2Al3Si2O11N(MYASON)中，其发射光谱也可能发生红移，有望合成Eu2+激活的石榴石氮氧化物青光荧光粉。

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我们采用3种不同的还原方法制备MgY2Al3Si2O11N∶Eu2+(简称MYASON∶Eu2+)青光荧光粉，探究了不同还原方法对荧光粉物相和发光强度的影响。研究表明，MYASON∶Eu2+的光谱确实出现了红移，发光范围为420～750 nm，峰值在490 nm，发出明亮的青光，并进一步探讨了该荧光粉的浓度猝灭机制和热稳定性。

工艺C：蓝莓打浆→添加白糖150 g/kg→添加酵母0.2 g/kg→25℃主发酵30 d→压榨后添加偏重亚硫酸钾和果胶酶各0.1 g/kg→25℃继续发酵30 d添加偏重亚硫酸钾0.1 g/kg→杀菌→成品酒。

1 实验部分

1.1 材料制备

MYASON∶Eu2+的制备采用的是高温固相法。实验所用到的试剂有MgO(>99% )、Y2O3(>99.9% )、Al2O3(>99.9% )、SiO2(>99.9% )、Si3N4(>99.9% )、Eu2O3(>99.9% )，均购自上海阿拉丁生物科技有限公司。按照MgY2Al3Si2O11N中元素化学计量比和Eu2+的掺杂浓度x% (Eu2+相对于MYASON的物质的量分数)称量原材料，将称量好的原料转移到玛瑙研钵中研磨均匀后，采用3种还原方法合成荧光粉。方法一是CO一步还原法(CO‑1SR)，即将研磨好的样品放置在高温管式炉中，在1 400℃下的热碳还原气氛中烧结4 h，冷却至室温后研磨均匀得到样品。方法二是CO两步还原法(CO‑2SR)。这种方法首先将研磨好的样品在1 350℃下预烧4 h，后将其研磨均匀并放置在1 350℃的热碳还原气氛中，继续烧结4 h得到目标产物。方法三是H2/N2还原法(H2/N2‑R)。为了使N3-离子能完全掺入石榴石晶格中，将研磨好的原料置于1 400℃下的H2和N2混合气体(体积分数分别为5% 和95% )氛围中煅烧4 h，待样品冷却至室温，研磨15 min，所得到的白色粉末即为目标荧光粉Mg1-yY2Al3Si2O11N∶yEu2+(y=x/100)，简称MYASON∶x% Eu2+。

1.2 性能表征

图1a、1b、1c是分别采用CO一步还原法、CO两步还原法和H2/N2还原法3种方法得到样品的XRD图。由于MgY2Al3Si2O11N为石榴石晶格，因此选取Y3Al5O12的标准卡片(PDF No.33‑0040)进行对比。图1d是3种方法制备的样品分别在自然光和365 nm紫外光激发下的发光图片。CO一步还原法获得样品的衍射峰与Y3Al5O12标准卡片一致且没有杂相，但是样品粉体颜色如图1dⅠ所示为深灰色，另外样品在365 nm紫外光激发下发光强度低且不均匀(图1dⅣ)，这是Si4+‑N3-没有完全掺入石榴石晶格中导致的[27]；CO两步还原法获得样品的衍射峰与标准卡片一致，但有微量SiO2杂相衍射峰(用*标出)，粉体颜色为浅灰色(图1dⅡ)；用H2/N2还原法得到的样品衍射峰与标准卡片一致且没有杂质衍射峰，粉体颜色为白色(图1dⅢ)，在365 nm紫外光激发下样品呈现较强的均匀发光(图1dⅥ)。图1e是3种方法还原样品在365 nm光激发下的强度对比图，对比3种还原方法制备样品的相纯度和发光强度，可知H2/N2还原法为最佳制备方法。

3.1 经产及高龄经产孕产妇死亡率高 北京市2017年孕产妇死亡率数据分析显示，在经产孕妇中死亡率明显增高，为总孕产妇死亡率的1.39倍，而在高龄经产孕产妇中死亡率更高，为总孕产妇死亡率的2.71倍。因此，在二孩政策全面放开的大背景下，北京市生育人群的结构发生较大改变，经产孕妇和高龄经产孕妇占比明显增加，而该人群的孕产妇死亡率远远高于适龄初产孕妇，重视经产高龄孕妇及高龄经产孕妇的孕期保健是降低孕产妇死亡率的关键。

2 结果与讨论

2.1 不同还原方法对物相和发光强度的影响

荧光粉的X射线衍射(XRD)图由日本岛津Shimadzu XRD‑6000型X射线衍射仪测定，Cu靶Kα辐射线(λ=0.154 06 nm)作为辐射源，管电流为30 mA，管电压为40 kV，扫描角度(2θ)范围是10°～80°，扫描分辨率0.02°。样品的X射线光电子能谱(XPS)是用Thermo Kalpha型X射线光电子能谱仪进行分析，激发光源为AlKα。通过英国Edinburgh FLS980型荧光光谱仪对样品激发和发射光谱进行测试，激发光源为450 W氙灯，扫描步长0.3 nm，积分时间为0.1 s。控温系统为JH‑TC450样品温控系统，测试范围300～630 K。荧光寿命测试采用光源为nF920纳秒灯的FLS980荧光光谱仪，功率为30 W，频率范围为40～100 kHz，脉冲宽度为1 ns。

2008—2017年招收的常州市第一人民医院血液净化专科护士培训基地的学员，总计89人，均为女性。其中2008年7人，2009年8人，2010年8人，2011年9人，2013年10人，2014年11人，2015年12人，2016年12人，2017年12人(2012年学员与其他培训中心合并，未列在观察范围内)。

图1 (a)CO一步还原法、(b)CO两步还原法和(c)H2/N2还原法制备的MYASON∶2% Eu2+的XRD图;(d)自然光下(Ⅰ～Ⅲ)和365 nm紫外光激发下(Ⅳ～Ⅵ)MYASON∶2% Eu2+的照片;(e)三种方法制备的MYASON∶2% Eu2+的发光强度对比Fig.1 XRD patterns of MYASON∶2% Eu2+prepared by(a)CO one‑step reduction,(b)CO two‑step reduction,and(c)H2/N2reduction;(d)Photos of MYASON∶2% Eu2+under(Ⅰ‑Ⅲ)natural light and(Ⅳ‑Ⅵ)365 nm UV excitation;(e)Comparison of luminescence intensity of MYASON∶2% Eu2+prepared by three methods

2.2 XRD和XPS分析

图3a为样品的XPS全谱扫描结果，构成样品的7种元素(Mg、Y、Al、Si、O、N、Eu)均能检测到。图3b和3c分别是N1s和Si2p的XPS精细谱，该结果进一步说明Si4+和Mg2+离子已经成功掺入石榴石晶格中。

图2b为MYASON∶x% Eu2+(x=3、20)的XRD图，从图中能看出，随着Eu2+掺杂浓度的增加，衍射峰向小角度方向移动。晶面间距d与衍射角θ满足布拉格方程(式 1)2dsinθ=kλ，其中k为衍射级次，λ是 X射线的波长，为定值。由于Eu2+的离子半径大于Mg2+和Y3+，因而晶格膨胀，晶面间距d增加，衍射角θ减小，衍射峰向更小的角度偏移，进一步证明了Eu2+取代 Y3+(Mg2+)的格位。

图2 (a)MYASON∶3% Eu2+的XRD精修;(b)MYASON∶x% Eu2+(x=3、20)的XRD图Fig.2 (a)XRD refinement of MYASON∶3% Eu2+;(b)XRD patterns of MYASON∶x% Eu2+(x=3,20)

表1 MYASON∶3% Eu2+中不同原子的占位信息Table 1 Space occupying information of different atoms in MYASON∶3% Eu2+

The linear RICs Δn(1)(ω)/nr and third-order nonlinear RICs Δn(3)(I, ω)/nr can be written as[22, 23]

为了证明N3-和Eu2+离子成功掺入石榴石晶格中，基于Rietveld原理，利用GSAS软件对样品MYASON∶3% Eu2+的XRD图进行精修，结果如图2a和表1所示。其中RWP=4.81%，RP=3.08%，GOF=1.31，χ2=1.71%。从表1的占位信息中能看出，Mg2+‑Si4+离子对和Si4+‑N3-离子对成功掺入石榴石晶格中，另外Mg1、Mg2、Y、Eu占据相同格位，这说明Eu取代Y(Mg1、Mg2)的位置。

图3 MYASON∶3% Eu2+的XPS谱图：(a)全谱、(b)N1s、(c)Si2pFig.3 XPS spectra of MYASON∶3% Eu2+：(a)survey,(b)N1s,(c)Si2p

2.3 MYASON∶Eu2+的荧光光谱

为了寻找Eu2+在MYASON中的最佳浓度，制备了浓度变化的样品系列：MYASON∶x% Eu2+(x=1、2、3、4、5、10)，比较了它们的发射光谱(图4b)。可以看到，随着Eu2+掺杂浓度的增加，荧光粉的发光强度先增加，之后因为发生了浓度猝灭，强度逐渐降低，最佳掺杂浓度为3%。插图的归一化谱图说明随着Eu2+掺杂浓度的增加，发射峰位置有红移现象。Eu2+掺杂浓度越大，Eu2+与Eu2+之间的距离就越小，晶体场强度就越强，Eu2+的5d能级的劈裂越大，电子能量越强，Eu2+的发射光谱就会出现红移现象[31]。

浓度猝灭是Eu2+离子间能量传递引起的，可以通过荧光寿命来研究Eu2+离子间能量传递。图5为浓度变化的系列样品在激发波长为365 nm，监测波长为515 nm的荧光衰减曲线，随着Eu2+掺杂浓度的增加，荧光寿命在逐渐变短。通过公式3近似计算其平均寿命[32]：

图4 (a)MYASON∶1% Eu2+的激发和发射光谱图;(b)MYASON∶x% Eu2+(x=1、2、3、4、5、10)的发射光谱图Fig.4 (a)Excitation and emission spectra of MYASON∶1% Eu2+;(b)Emission spectra of MYASON∶x% Eu2+(x=1,2,3,4,5,10)

样品MYASON∶1% Eu2+在515 nm监测下的激发光谱如图4a所示，其激发光谱覆盖了240～450 nm的范围，归属于Eu2+的4f7→4f65d1的电偶极子跃迁。在365 nm光激发下，MYASON∶1% Eu2+的发射光谱呈现420～750 nm的不对称宽带发射，通过高斯拟合分解为2个发射峰：短波发射峰在490 nm(Eu‑Ⅰ)，长波发射峰在548 nm(Eu‑Ⅱ)。由于Eu2+离子取代晶格中Y3+(Mg2+)的位置，Y3+(Mg2+)在晶格中占据2种不同的格位，分别为六配位和八配位，所以不对称发射可能来自2种占据不同格位的Eu2+的发射的叠加。理论上，2个格位的发射峰的位置可通过Liu等给出的公式粗略计算[28]：

2.4 浓度猝灭机理

其中E是稀土离子d能带的位置，等于发射波长的倒数；Q是d能带能量最低的位置，对于Eu2+，Q=34 000 cm-1[29]；V是激活剂(Eu2+)的化合价(V=2)；Ea是原子形成离子的电子亲和能，在基质MgY2Al3Si2O11N中Ea=2.78 eV[30]；n是激活剂周围的配位阴离子数，分别是6和8；r是激活剂取代的基质阳离子的半径大小，考虑到离子半径相近和电荷相同的取代原则，这里利用Mg2+离子的半径进行计算：六配位时rMg6为0.072 nm，八配位时rMg8为0.089 nm。通过公式计算得到8配位的Eu‑Ⅰ峰值约为490 nm，6配位的Eu‑Ⅱ峰值约为548 nm，这个计算结果与图4a中高斯拟合的结果相符，证明MYASON∶1% Eu2+样品中，Eu2+在晶格中占据了Mg2+两种不同格位，发射光谱呈现不同格位发射峰叠加的宽带发射青光。

图5 365 nm激发下,MYASON∶x% Eu2+(x=1、2、3、4、5、10)的寿命衰减曲线Fig.5 Decay curves of MYASON∶x% Eu2+(x=1,2,3,4,5,10)excited at 365 nm

其中τ表示平均寿命值，I(t)表示t时刻的发光强度。计算得到，随着浓度的增加，寿命值从2 786 ns逐渐减少到1 716 ns。因为随着Eu2+浓度的增加，Eu2+与Eu2+间的距离减小，能量在Eu2+离子间传递的概率大于发射概率，能量就会在Eu2+离子间重复传递到猝灭中心，发生猝灭现象。能量传递的类型分交换相互作用和电多极相互作用2种，浓度猝灭机制可通过Blasse公式推测[33]：

其中xc是掺杂离子的临界浓度，V是晶胞体积，N是基质晶胞中阳离子的数量，对于MYASON基质，V=1.715 nm3，xc=0.03，N=8[25]。将以上数据代入公式 4得出Rc=2.390 nm，远远大于0.5 nm，因此，Eu2+之间的能量传递属于电多极相互作用[34]。

2.5 MYASON∶Eu2+热稳定性

热稳定性是荧光粉重要的性能之一，图6a展示了荧光粉MYASON∶3% Eu2+的温度依赖发射光谱。当温度从300 K逐渐升高到630 K时，样品的荧光强度逐渐降低，在强度随温度变化的趋势图(图6a插图)中显示，当温度在420 K下，样品的发光强度为室温发光强度的57%。此外，样品的热猝灭活化能可根据 Mott‑Seitz方程进行计算[35]：

图6 (a)荧光粉MYASON∶3% Eu2+在300～630 K温度下的发射光谱图;(b)MYASON∶3% Eu2+的ln(I0/I-1)与1/(kT)关系图及拟合的直线Fig.6 (a)Emission spectra of phosphor MYASON∶3% Eu2+at 300-630 K;(b)Relationship of ln(I0/I-1)and 1/(kT)for MYASON∶3% Eu2+and the corresponding fitted line

其中，I0是初始温度(300 K)下MYASON∶3% Eu2+的发射强度，I(T)是不同温度下的MYASON∶3% Eu2+荧光粉的发射强度，c是常数，ΔE是活化能，k是玻尔兹曼常数(8.62×10-5eV·K-1)。如图6b所示，拟合得到MYASON∶3% Eu2+的热猝灭活化能ΔE=0.22 eV。已报道的青光荧光粉中热稳定性最好的是BaLu2Al2Ga2SiO12∶Ce3+，其热猝灭活化能 ΔE=0.38 eV[12]。Chen等研究结果表明，SrSi2O2N2∶Eu2+样品在N2气氛下还原相比在NH3或者90% N2+10% H2还原气氛下所制备样品的热稳定性好[36]。后续可在N2气氛下还原样品以提高荧光粉的热稳定性。

3 结论

采用3种还原方法合成了MYASON∶Eu2+样品，通过对比样品的物相和发光强度得出H2/N2还原法为最佳制备方法。利用XRD精修证明了Eu2+取代基质中Y3+(Mg2+)的格位，结合XRD精修和XPS证明了Si4+‑N3-成功掺入石榴石晶格中。在365 nm紫外光激发下，MYASON∶Eu2+荧光粉发射光谱的发射位置与青光荧光粉相匹配，Eu2+离子的最佳掺杂浓度为3%，通过Blasse公式推测Eu2+之间的能量传递属于电多极相互作用，MYASON∶3% Eu2+的热猝灭活化能ΔE=0.22 eV。这些结果表明MYASON∶Eu2+可作为紫外芯片激发的WLED青光荧光粉候选材料。