基于KY(CO3)2基质的白光荧光粉设计及光谱特性研究

李德川，晏雨坤，梁 霞①

（淮北师范大学 物理与电子信息学院，安徽 淮北 235000）

0 引言

稀土发光材料作为信息材料与器件的重要组成部分，被广泛用于照明、显示和信息传输等领域[1-3]。开展稀土发光材料研究，有利于探索稀土离子发光机理和掌握光学器件设计。白光固态照明作为稀土发光一种重要应用方向，该技术以太阳光为参考标准，模拟波长丰富、红绿蓝光线均衡的照明光源。在当前基于荧光转换技术的白光照明灯具应用中，主要采用蓝光LED 激发YAG:Ce3+黄光荧光粉，实现白光发射[4-5]。该方法具有发光效率高、响应快和全固态等优点，被广泛应用于各种场合的照明。随着人们生活品质提高和特种照明需要，高显色和低色温照明备受关注。在YAG:Ce3+材料的发光光谱中，红光成分偏少，使得蓝光LED激发YAG:Ce3+的显色性偏低[6-7]。本文以稀土发光离子Ce3+、Tb3+和Eu3+为基础，在同一种KY(CO3)2基质中实现蓝紫色、绿色和红色的荧光发射，有效增加材料发射光谱中红光成分。借助X射线衍射仪和瞬态/稳态荧光光谱仪研究发光材料的晶格结构、光谱特性和色度坐标，利用三基色稀土发光材料实现高品质白光荧光粉的设计。

1 稀土发光材料的制备

实验选用的试剂为：K2CO3·1.5H2O (Aladdin，99%)，Ce(NO3)3·6H2O(99.99%)，Y(NO3)3·6H2O(99.99%)，Tb(NO3)3·6H2O(99.99%)和Eu(NO3)3·6H2O(99.99%)，稀土硝酸盐全部购于上海贤鼎生物科技有限公司。实验中，取一定量的K2CO3溶于20 mL的去离子水中配制K2CO3碱性溶液。同样，将所有硝酸盐按化学计量比称量后加3 mL的水溶解，形成硝酸盐溶液。然后将硝酸盐溶液逐滴加入K2CO3碱性溶液中，用稀硝酸调节混合溶液的pH值至9，搅拌均匀后，转移到50 mL的反应釜中，200 ℃加热8 h。将反应沉淀物取出，用去离子水清洗后，烘干。采用上述方法，得到KY(CO3)2:Ce3+，KY(CO3)2:Tb3+和KY(CO3)2：Eu3+3 种目标产物，文中KY(CO3)2标记为KYC。

2 材料的表征

利用X射线衍射仪(PANalytical)对制备的发光材料进行物相鉴定，测试2θ角范围为10°～70°。以氙灯为激发光源，在200～870 nm的光谱范围内利用FLS920瞬态/稳态荧光光谱仪测试发光物质的激发光谱和发射光谱，用以表征光谱特性、色度坐标和光线质量。

3 结果与讨论

图1给出的是KY(CO3)2：Ce3+，KY(CO3)2：Tb3+和KY(CO3)2：Eu3+的X射线衍射图谱(XRD)。从图1可以看出，3种发光材料的X射线衍射峰位和标准卡片库中物质的衍射峰位基本一致，没有发现其它多余的衍射峰。同时，KY(CO3)2：Ce3+、KY(CO3)2：Tb3+和KY(CO3)2：Eu3+中的3 个最强衍射峰分别对应于标准样KHo(CO3)2(JCPDS:1-88-1419)中(110)、(002)和(-221)晶面，这说明制备的物质和标准物质拥有相同的物相结构，制备样品为纯相单斜结构的目标产物[8]。

图1 3种荧光粉的XRD图谱

从图2激发光谱可以看出：在稀土发光离子Eu3+、Tb3+和Ce3+掺杂KYC的3种荧光粉中，每个样品均有不同的最佳激发波段。在Ce3+掺杂的KYC发光材料中，有2个宽带激发峰，最大峰位分别位于273 nm和341 nm；在Tb3+掺杂的KYC发光材料中，有2个明显的激发峰分别位于245 nm和283 nm处，对应于Tb3+的f-d跃迁[9-10]。而其在330～380 nm范围内的衍射峰较弱，对应于Tb3+的f-f跃迁[11]，其相对激发强度与KYC基质中Tb3+的含量较少有关[10]；Eu3+掺杂的KYC发光材料，在230～310 nm范围内有一个较宽的激发带，宽带激发峰主要来源于Eu3+-O2-间的电荷迁移[12]。而KYC:Eu3+发光材料中Eu3+最强激发峰则位于393 nm处，对应于7F0至5L6间的能级跃迁[12]。综合以上3种发光材料有效激发波段，结合现有可选用紫外LED激发芯片，选取275 nm 作为同时激发3 种发光材料的有效激发波长，如图2 中矩形框区域所示。同时，275 nm的紫外LED为固态光源，因体积小，价格便宜，适用于制作各类不同属性的便携式照明光源。

图2 3种荧光粉的激发光谱

图3给出的是275 nm紫外光激发Eu3+、Tb3+和Ce3+掺杂的KYC荧光粉的发射光谱。从发射光谱来看，Eu3+掺杂的KYC主要发射红光，Tb3+掺杂的KYC主要发射绿光，Ce3+掺杂的KYC主要发射蓝紫光。在白光的合成研究中，Li 等[13]利用Ca3Gd(GaO)3(BO3)4基质实现Ce3+/Tb3+/Eu3+共激发的白光荧光粉.Fang 等[14]在Na5Y9F32单晶中引入Ce3+/Tb3+/Eu3+离子，制备出热稳定性好的白光发光材料，实现白光发射。Ma等[15]在硅酸盐基质La2Si2O7中，利用Ce3+、Tb3+和Eu3+间的能量传递，制备出热稳定性好且量子效率高的发光材料。通过以上文献分析可知，Ce3+、Tb3+和Eu3+作为三基色稀土发光离子可以被用于制备白光发光材料[16]。本实验中，利用新型KYC基质，制备的发光材料颗粒大小相近，化学相容性高。通过优化3种荧光粉调配工艺参数，得到兼具红、绿和蓝三色、发光成分可调的白光荧光粉。

图3 3种荧光粉的发射光谱

实验中，通过优化蓝紫光、红光和绿光荧光粉的混合比例，分别制作出1#、2#和3#样品，其发光特性及光谱色度坐标如图4和图5所示。图4给出的是配制样品在275 nm光照射下的发射光谱图。从图中可以看出，1#样品的发射光谱中蓝紫光所占比例较大，红光比例较小，色度坐标为(0.34,0.37)，稍微偏离理想光源；当减少蓝光荧光粉，增加红光荧光粉的比例时，2#样品色度坐标为(0.41,0.40)，偏离理想光源较多；当减少绿光荧光粉时，3#样品的色度坐标为(0.37,0.34)，位于白光区，接近于理想光源。从数值上来看，1#和3#样品分布于理想光源(0.33,0.33)附近，可以用作白光照明光源，也可以继续微调光谱成分，无限接近于理想光源；2#样品数值较大，处于白光区域边缘，光源质量不理想。

图4 样品发射光谱

图5 样品色度坐标

4 结论

利用水热法制备出KY(CO3)2:Ce3+、KY(CO3)2:Tb3+和KY(CO3)2:Eu3+3种基于同一基质不同发光颜色的稀土发光材料。X射线衍射表明，3种发光材料均为纯相物质。在275 nm紫外LED激发下，制备的稀土发光材料可以发出蓝紫、绿和红3种颜色。通过对三基色的成分进行优化，实现色度坐标为（0.37，0.34）的理想白光发光材料的调制。