Eu3+掺杂稀土硼酸盐REBaB9O16（RE=稀土离子，Y）的发光光谱研究

论文摘要

硼酸盐具有良好的化学稳定性、热稳定性、较高的荧光发光效率和较低的合成温度,因而稀土掺杂的硼酸盐发光材料一直备受关注。Eu3+是最主要的红发光激活离子,在照明和显示领域得到了广泛的应用。Eu3+作为结构探针离子,微小的晶体学结构变化在其选择激发和发射光谱上会得到不同的5D0→7F0跃迁,对应不同的发光光谱和衰减变化。利用这一特点,可以研究稀土离子所处的结晶学环境,分析基质中不同发光中心的格位对称性,进而给出微结构的信息。本论文以REBaB9O16 （RE=La, Gd, Sm和Y）为基质材料,采用高温固相反应制备了红发光荧光粉REBaB9O16:Eu3+,并对其结构进行了表征,详细研究了激发和发射光谱、发光衰减、发光热稳定性和作为白发光二极管（Light emission diode, LED）荧光粉的潜在应用;利用结构探针离子Eu3+的激光位置选择激发和发射光谱技术,分析了Eu3+离子在EuBaB9O16中的结晶学位置特征。第三章,用XRD和FT-IR等方法研究了稀土硼酸盐REBaB9O16的结构组成,分析了晶格参数及其变化等。结果表明REBaB9O16为六方结构。晶胞体积的变化遵循镧系收缩的规律（Y<Gd<Sm<La）,REBaB9O16的晶胞体积随着稀土离子RE3+离子半径的减小而减小。通过FT-IR光谱,对晶格中的B-O振动模式进行了比较和分析。第四章,研究了REBaB9O16:Eu3+荧光粉的发光特征。结果表明其激发光谱在220-300 nm和300-550 nm范围内显示出很宽的激发带,这分别来自O2-→Eu3+的电荷迁移带和Eu3+离子的f–f跃迁,激发光谱可以很好地匹配InGaN基LED芯片的近紫外光发光。从发光光谱看出REBaB9O16:Eu3+能发出强烈的红光（614 nm）,来自Eu3+离子的5D0→7F2的电偶极跃迁;其发光强度随着浓度的提高而提高;并且随着浓度的升高发光色度稳定。第五章,系统研究了EuBaB9O16荧光粉的发光特征,采用XRD、SEM表征其结构及微观形貌。结果表明EuBaB9O16为六方结构,其结晶粒度大小为3-5μm。激发光谱表明它能在近紫外（365 nm）激发下发出强烈的红光,来自Eu3+离子的5D0→7F2的电偶极跃迁。常温下EuBaB9O16荧光粉的荧光衰减曲线呈单指数特性,衰减时间为2.03 ms。此外,EuBaB9O16的发光具有很高的猝灭温度和色度热稳定性,它的发光强度比Eu3+掺杂的LaBaB9O16和GdBaB9O16高。所以EuBaB9O16可以作为潜在的红发光材料应用到白光LED中。第六章,系统研究了EuBaB9O16荧光粉的微结构特征。利用激光位置选择激发和发射技术探讨了基于Eu3+离子的光谱探针信息,分析了该材料中局域结构的特征及其对发光性质的影响、Eu3+在不同温度下的衰减特征。归属于7F0→5D0的跃迁说明Eu3+在EuBaB9O16中有三个位置,分别为A （575.2 nm）,B （578.7 nm）和C （579.2 nm）;在不同Eu位置激发下的发射图谱说明5D0→7F1和5D0→7F2的发光强度之比基本相同,通过荧光衰减曲线可以算出这三个位置的衰减时间几乎相同。位置选择发射光谱和衰减曲线表明:在EuBaB9O16中三个Eu3+晶体学位置周围的环境非常类似。在Eu3+（C）位置下由5D0→7F0选择激发下的衰减曲线在一开始阶段呈现快速衰减,然而同样情况在Eu3+（A）位置下却呈上升趋势。这说明在5D0→7F0选择激发下Eu3+（C）位置下的能量部分迁移到了Eu3+（A）。在15 K时,在575.2 nm（A位置）和579.2 nm（C位置）激发下的发射光谱几乎完全一样。这说明在Eu3+（A）和Eu3+（C）位置之间存在着能量迁移。归属于5D0→7F2的三个发射峰和归属于5D0→7F1的两个发射峰表明Eu3+的晶体场对称性为六方C3或C3v对称;Eu3+离子之间的距离较长且Eu3+离子均匀地分布在EuBaB9O16中并且高度有序,这使得EuBaB9O16的发光浓度猝灭效应很小并且发光强度和发光色度保持了很好的热稳定性。本论文创新点是系统研究了稀土硼酸盐REBaB9O16:Eu3+ （RE=La, Gd, Sm和Y）的结构、发光性能及其发光的衰减特征;首次研究了该类稀土硼酸盐作为LED红发光材料的潜在应用性能;首次利用Eu3+离子的激光位置选择激发和发射光谱研究了REBaB9O16的微结构特点,以及稀土离子Eu3+在基质中的占位问题,对于稀土硼酸盐REBaB9O16的进一步开发应用具有重要的参考和借鉴价值。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 1 文献综述
• 1.1 稀土发光及应用
• 1.1.1 发光机理
• 1.1.2 稀土发光特征
• 1.1.3 稀土发光材料在LED 中的应用
• ³⁺离子的发光特性'>1.2 Eu³⁺离子的发光特性
• 3+离子的发光机理'>1.2.1 Eu³⁺离子的发光机理
• 3+离子的结构探针作用'>1.2.2 Eu³⁺离子的结构探针作用
• 1.3 硼酸盐基质发光材料的结构特点、分类和应用
• 1.3.1 硼酸盐基质发光材料的结构特点
• 1.3.2 硼酸盐基质发光材料的分类
• 1.3.3 硼酸盐基质发光材料的应用
• 1.4 主要出发点和研究内容
• 1.4.1 主要出发点
• 1.4.2 主要研究内容
• 1.5 参考文献
• 2 样品合成及仪器分析
• 2.1 实验原料
• 2.2 实验装置
• 2.3 样品制备
• 2.4 测试方法
• 2.4.1 XRD 测试
• 2.4.2 扫描电子显微镜形貌分析
• 2.4.3 傅立叶红外吸收光谱FT-IR
• 2.4.4 激发光谱和发射光谱性能测试
• 2.4.5 激光位置选择激发和发射光谱
• 2.4.6 发光衰减
• 2.5 参考文献
• 9O₁₆（RE=La, Gd, Sm 和Y）的结构表征'>3 REBaB₉O₁₆（RE=La, Gd, Sm 和Y）的结构表征
• 3.1 引言
• 3.2 XRD 表征
• 3.3 FT-IR 表征
• 3.4 本章小结
• 3.5 参考文献
• 9O₁₆:Eu³⁺（RE=La, Gd, Sm,和Y）的发光特征'>4 REBaB₉O₁₆:Eu³⁺（RE=La, Gd, Sm,和Y）的发光特征
• 4.1 引言
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 光致激发光谱和发射光谱
• 3+掺杂浓度与发光之间的关系'>4.2.2 Eu³⁺掺杂浓度与发光之间的关系
• 4.2.3 荧光衰减曲线
• 4.2.4 CIE
• 4.3 本章小结
• 4.4 参考文献
• 9O₁₆ 的发光特征及其应用性能'>5 EuBaB₉O₁₆的发光特征及其应用性能
• 5.1 引言
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 结构表征
• 5.2.2 光致发射光谱
• 5.2.3 光致激发光谱
• 5.2.4 荧光衰减曲线
• 5.2.5 发光强度和色度的温度依赖性
• 5.3 本章小结
• 5.4 参考文献
• 9O₁₆晶体中Eu³⁺的微结构研究'>6 EuBaB₉O₁₆晶体中Eu³⁺的微结构研究
• 6.1 引言
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 光致发射光谱
• 6.2.2 位于7F0 →5D0 跃迁范围的激发光谱
• 6.2.3 位置选择发射光谱和衰减曲线
• 6.2.4 讨论
• 6.3 本章小结
• 6.4 参考文献
• 7 全文总结
• 发表文章目录
• 致谢