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Ca10Na(PO4)7: Eu2+熒光粉的合成和發(fā)光性質(zhì)探究*

2022-08-26 12:34王維昊王延惠張海杰
廣州化工 2022年15期
關(guān)鍵詞:熒光粉氣氛基質(zhì)

藍 璇,王維昊,王延惠,張海杰

(廣東第二師范學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院, 廣東 廣州 510800)

如何調(diào)節(jié)熒光粉的發(fā)射位置,拓寬熒光粉發(fā)光色域,是熒光粉研究領(lǐng)域眾多研究學(xué)者一直致力研究的問題。 Ca10M(PO4)7(M=Li, Na, K)作為一種β-Ca3(PO4)2型磷酸鹽基質(zhì),擁有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)[1],結(jié)構(gòu)中包含四種Ca2+格位和一種堿金屬離子格位,其發(fā)光性質(zhì)具有廣泛復(fù)雜的變化,受到了廣泛的研究。據(jù)報道, Eu2+在具有β-Ca3(PO4)2型結(jié)構(gòu)的Ca10Na(PO4)7基質(zhì)中,具有4種不同的發(fā)光格位[2],同時,Eu2+的發(fā)射屬于f→d躍遷,由于d軌道裸露在外,容易受到晶體場的影響,處于不同的格位時,發(fā)射位置具有較大的差異[3],因此,當(dāng)Eu2+進入Ca10Na(PO4)7基質(zhì)中4種不同的格位時,能夠發(fā)射出多個不同波段的光,從而獲得一種發(fā)射光譜覆蓋范圍較寬的熒光粉,加上能量傳遞和對不同格位占據(jù)率不同等因素,在該基質(zhì)中有可能能夠?qū)崿F(xiàn)通過改變摻雜濃度實現(xiàn)調(diào)控?zé)晒夥鄣陌l(fā)光顏色的目的。而對于Eu2+在Ca10Na(PO4)7基質(zhì)中的格位占據(jù)在近年來也成為了學(xué)者們熱議的課題[4-6],但不同的學(xué)者對于格位占據(jù)的問題具有不同的解釋,且尚未有詳細探究該熒光粉合成條件的相關(guān)報道。

本文采用高溫固相法合成了一系列Eu2+離子激活的β-Ca3(PO4)2型Ca10Na(PO4)7熒光粉,通過控制原料的種類和用量,合成氣氛等條件,探究了Ca10Na(PO4)7:Eu2+熒光粉的最佳合成條件;同時,探究了Eu2+離子濃度對于Ca10Na(PO4)7:Eu2+熒光粉發(fā)射位置的影響和Eu2+占據(jù)多位點基質(zhì)的發(fā)光調(diào)控規(guī)律。

1 實 驗

1.1 樣品制備

實驗原料:CaCO3(A.R.),天津市大茂化學(xué)試劑廠;Na2CO3(A.R.) ,天津市大茂化學(xué)試劑廠;Eu2O3(A.R.) ,廣東珠江稀土有限公司;NH4H2PO4(A.R.) ,天津市福晨化學(xué)試劑廠;(NH4)2HPO4(A.R.),天津市大茂化學(xué)試劑廠。將原料按照一定的百分比例準(zhǔn)確稱量,置于瑪瑙研缽中混合研磨直至均勻,然后裝入剛玉小坩堝,再放入有碳塊的大坩堝中,置于箱式高溫馬弗爐,或管式氣氛爐(20%H2+80%N2氣氛保護)中高溫灼燒,程序控溫180 min升高至1050 ℃,保溫5 h,冷卻至室溫后將樣品研磨成均勻粉末,即得到Ca10Na(PO4)7: Eu2+熒光粉樣品。

1.2 樣品表征

樣品的XRD表征儀器為X-射線粉末衍射儀(D8 ADVANCE),德國BRUKER公司;測試條件:CuKα射線(λ=1.541 ?),石墨單色器,工作電壓40 kV,電流25 mA。樣品的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜測試儀器為熒光分光光度計(UV-2600),日本島津公司。

2 結(jié)果與討論

2.1 物相分析

分別選用NH4H2PO4(a)和(NH4)2HPO4(b)為磷酸根原料制備的Ca10Na(PO4)7基質(zhì),其 XRD 圖譜如圖1(A)中所示,可以看出:與Ca10Na(PO4)7的標(biāo)準(zhǔn)卡片(PDF#45-0339)相比,譜線(b)出現(xiàn)的雜峰比(a)要強很多,其雜峰來源于生成的雜相Ca5(PO4)3(OH)(PDF#84-1998)。因此,對于Ca10Na(PO4)7基質(zhì)的制備以NH4H2PO4作為磷酸根來源更合適。

圖1(B)是NH4H2PO4的加入量分別比化學(xué)計量比的正常量多出+4%,+3%,+2%,+0%,-2%,-4%,-6%時,基質(zhì)Ca10Na(PO4)7的XRD圖譜,當(dāng)NH4H2PO4的加入量少于化學(xué)計量比時,樣品的衍射峰與標(biāo)準(zhǔn)卡片(PDF#45-0339)相比出現(xiàn)較多的雜峰,峰位置與Ca5(PO4)3(OH)標(biāo)準(zhǔn)卡片PDF#84-1998相吻合,即在此合成條件下生成了雜相Ca5(PO4)3(OH)。隨著NH4H2PO4加入量的增加,雜峰的強度越來越弱,Ca10Na(PO4)7基質(zhì)衍射峰強度越來越強,直到NH4H2PO4加入量高出計量比3%的時候,樣品XRD圖與標(biāo)準(zhǔn)卡片最相符,沒有出現(xiàn)雜相。因此,NH4H2PO4原料的質(zhì)量為化學(xué)計量比計算值的103%時,可以合成純相的Ca10Na(PO4)7基質(zhì),這也為磷酸鹽的的高溫固相合成提供了借鑒。

圖1 以NH4H2PO4(a)或(NH4)2HPO4(b)為磷酸根原料制備Ca10Na(PO4)7(A)

在基質(zhì)Ca10Na(PO4)7中摻雜少量發(fā)光中心Eu2+離子來取代少部分Ca2+離子位置,而Eu2+離子的原料Eu2O3中Eu為正三價,故在高溫?zé)Y(jié)過程中需要用到還原氣氛,在NH4H2PO4質(zhì)量為化學(xué)計量比計算值的103%的基礎(chǔ)上,分別以CO和H2為還原氛圍合成樣品。圖2是基質(zhì)和Ca10Na(PO4)7:0.02Eu2+的XRD圖譜,在兩種合成氛圍下合成的樣品都是純相,說明CO或者H2的氛圍都沒有影響基質(zhì)的生成。

2.2 發(fā)光性能分析

將在CO和H2氣氛下合成的熒光粉Ca10Na(PO4)7: 0.02Eu在保證測試條件一致的基礎(chǔ)上,用395 nm(Eu3+的特征激發(fā)峰,來自于Eu3+離子7F0→5L6的躍遷)作激發(fā)波長,得到不同的發(fā)射光譜,如圖3所示。CO還原氣氛下燒結(jié)的熒光粉的發(fā)射光譜分別在593 nm、617 nm處出現(xiàn)尖銳峰,分別對應(yīng)了Eu3+離子5D0→7F1能級躍遷和5D0→7F2能級躍遷[7],而H2氣氛下燒結(jié)的熒光粉的發(fā)射光譜中無Eu3+特征發(fā)射峰。說明CO還原氣氛下不能將Eu3+完全還原成Eu2+,而H2還原氣氛下則可以。故在后續(xù)批量合成不同摻雜Eu2+濃度的樣品中,均采用H2氛圍還原。

圖2 不同合成氛圍下Ca10Na(PO4)7

圖3 不同氛圍下合成的Ca10Na(PO4)7:0.02Eu的發(fā)射光譜(λex=395 nm)

圖4為H2氣氛下燒結(jié)的熒光粉Ca10Na(PO4)7: 0.02Eu2+在常溫下的激發(fā)光譜(λem=531 nm)和發(fā)射光譜(λex=329 nm)。激發(fā)光譜在250~450 nm處有寬帶吸收,歸屬于 Eu2+的 4f7→4f65d1躍遷,可推斷出熒光粉可被近紫外芯片有效激發(fā)。同時,我們還觀察到,熒光粉的發(fā)射帶與吸收帶在400 nm處附近存在部分重疊,這將有可能造成能量傳遞的發(fā)生,這將在后文中繼續(xù)闡述。

圖4 Ca10Na(PO4)7:0.02Eu2+在常溫下的激發(fā)光譜(λem=531 nm)和發(fā)射光譜(λex=329 nm)

為了探究Eu2+在不同格位中的發(fā)光位置,我們對 Ca10Na(PO4)7: 0.02Eu2+在常溫下的發(fā)射光譜(λex=329 nm)進行高斯峰擬合,分出了三個峰位置位于409 nm,488 nm和546 nm的高斯擬合峰,如圖5所示。據(jù)報道的Ca10Na(PO4)7基質(zhì)結(jié)構(gòu)中,具有5種不同的陽離子格位,分別為[Ca(1)O7],[Ca(2)O6],[Ca(3)O7],[Ca(5)O6]以及[Na(4)O3][7]。有相關(guān)報道指出,Eu2+無法摻入[Ca(5)O6]格位[2],其余四個格位的發(fā)光位置可由其摻入格位的原陽離子配位數(shù)和離子半徑進行估計,具有較大配位數(shù)和較大離子半徑的格位往往具有更高的發(fā)射能量和較短的波長,因此409 nm處發(fā)射帶歸屬于[Ca(1)O7]和[Ca(3)O7],488 nm處發(fā)射帶歸屬于[Ca(2)O6],546 nm處發(fā)射帶歸屬于[Na(4)O3],這個結(jié)果與Mubiao Xie等人的分析結(jié)果相一致[4]。

圖5 Ca10Na(PO4)7: 0.02Eu2+在常溫下的發(fā)射光譜(λex=329 nm)

圖6為329 nm激發(fā)下,Ca10Na(PO4)7: xEu2+的歸一化發(fā)射光譜和CIE色度圖,隨著摻雜濃度的升高,由a至d,短波長方向的發(fā)射逐漸減弱,長波長方向的發(fā)射逐漸占據(jù)主導(dǎo),表現(xiàn)在CIE圖上即為發(fā)光顏色的變化。光譜的變化規(guī)律可能由以下兩種原因造成:一是Eu2+在基質(zhì)中對Ca2+的不同格位占據(jù)率不同,隨著摻雜濃度的增大,Eu2+占據(jù)的不同格位的比例也發(fā)生變化,導(dǎo)致了光譜的變化;二是由于發(fā)射帶與吸收帶間存在部分重疊,不同的發(fā)光中心之間可能存在能量傳遞,隨著濃度的提高,發(fā)光中心之間的間距變小,這種能量傳遞加劇,導(dǎo)致短波長方向的發(fā)光減弱。這說明該熒光粉能夠通過改變摻雜離子的濃度,調(diào)控發(fā)光顏色,實現(xiàn)一種Eu2+在單一基質(zhì)中發(fā)光顏色可調(diào)的目的。

圖6 系列摻雜濃度Ca10Na(PO4)7: xEu2+的歸一

3 結(jié) 論

通過探究原料種類、原料比例,得到了Ca10Na(PO4)7基質(zhì)的最佳合成條件,對于以NH4H2PO4為原料的高溫固相合成材料具有一定的借鑒意義;另外,通過對合成氣氛的探究,找出了Ca10Na(PO4)7基質(zhì)中Eu3+還原成Eu2+的燒結(jié)氛圍為還原性更強的H2氛圍。Ca10Na(PO4)7: Eu2+的激發(fā)光譜表明該熒光粉的有效激發(fā)范圍在250~450 nm之間,能夠很好地匹配LED紫外芯片;發(fā)射光譜表明此熒光粉內(nèi)含有4個格位的Eu2+離子發(fā)射,使熒光粉的發(fā)射范圍能夠覆蓋寬區(qū)域的可見光區(qū),且通過改變Eu2+離子的摻雜濃度,能夠改變熒光粉的發(fā)光顏色,實現(xiàn)Eu2+發(fā)光中心在單一基質(zhì)中發(fā)光顏色可調(diào)的目的。

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