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Ca2MgSi2O7:Eu2+绿色发光粉的低温合成及光致发光

2023-06-14 来源:钮旅网
第31卷第1期 发 光 学 报 CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCE V01.31 No.1 Feb.。2010 2010年2月 文章编号:1000-7032(2010)01-0054-05 Ca2 MgSi2 O7:Eu2+绿色发光粉的低温合成及光致发光 章少华 ,胡江峰 ,周明斌 ,王建军 ,谢 冰 (1.南昌大学材料科学与工程学院,江西南昌330031;2.南昌大学分析测试中心,江西南昌330029) 摘要:采用CaC1:作助熔剂同时又作反应物,利用固相法在碳还原气氛下合成了ca2MgSi O :Eu 发光粉, 确定其最佳的合成条件为按CaCO3、Mg(OH):、SiO 、CaC12的量的比1.5:1:2:2.4称取原料,烧结温度为900 ℃,烧结时间为3 h。合成的样品可被360~480 am的光有效激发,得到发射峰值位于529 am的绿光。该发 光粉Eu 的最佳掺杂摩尔分数为0.02。与高温法相比,低温法制备的Ca2MgSi:O :Eu 发光粉激发光谱形 状表现出一些差别,并且发射光强度显著增强,低温制备的Ca ̄MgSi O :0.02Eu 的发射强度是高温制备样 品的261%。 关键词:发光粉;Ca2MgSi:0,:Eu“;助熔剂;低温合成;光致发光 PACS:78.55.Hx PACC:7855 文献标识码:A 中图分类号:0482.31 1 引 言 (A.R.)、SiO2(A.R.)、CaC12(A.R.)、Eu2O3 (99.99%)。按一定比例称取CaCO3、Mg(OH)2、 硅酸盐基质具有较高的化学稳定性和热稳定 SiO:、Eu 0,,放入玛瑙研钵中充分研磨,再加人一 定量的CaC1 ,研磨均匀后,置于坩埚中,利用高 温固相反应,在碳还原气氛中于不同温度下烧结 性,而且高纯二氧化硅原料价廉易得,因此稀土离 子激活的硅酸盐发光材料引起了人们的重视。稀 土硅酸盐发光粉常用的合成方法有溶胶一凝胶 2—4 h,热取出冷却至室温,得到Ca MgSi O : Eu 样品。采用德国Bruker D-8型x射线衍射 仪(辐射源为Cu靶Kd,A=0.154 06 llm,40 kV, 40 mA,扫描范围10。一80。)测定样品的粉末XRD 图。采用日本日立公司FS F-4500荧光分光光度 法¨’ 和高温固相法 ’ 等。而高温固相法工艺 简单,合成的发光粉发光强度和发光效率较高。 稀土离子激活的ca MgSi 0,基质发光粉可广泛 用于白光LED照明、长余辉材料及飞点扫描发光 粉_5 等领域。但目前所见的用高温固相法制 备的Ca:MgSi:O 基质的发光粉合成的温度普遍 在1 200~1 400 oC_1 13],在世界能源紧缺的背景 下,降低发光粉的合成温度,提高发光粉的发光强 度为人们所关注。 本文采用固相法,用CaC1 作助溶剂的同时 又作反应物,在较低温度下合成了Ca MgSi O : Eun发光粉。探讨了Eu 激活的Ca MgSi O 发 计测试样品的激发光谱和发射光谱(激发源为 150 W氙灯,波长准确度±2.0 nm)。 3结果与讨论 3.1原料的配比 当按CaCO3、Mg(OH)2、SiO2、CaC12的量的比 为 :1:2:2.4称取原料时,只改变CaCO,的含 量,在烧结温度为850 oC,烧结时间为3 h时,合 光粉在近紫外光激发下的荧光性质,进一步验证 了Ca:MgSi:O 的晶体结构。并与高温合成方法 制备的样品的发光性能进行了比较。 成样品的XRD谱图如图1所示。从图中可看出, 当 =1时,合成的样品除了Ca:MgSi 0 外,还有 少量CaMgSi 06生成。随着CaCO3含量的增加, 生成物中的CaMgSi O6逐渐减少;当 =1.5时, CaMgSi:O 基本消失。因CaC1 在烧结中即作助 2 实 验 实验所用材料为CaCO (A.R.)、Mg(OH)2 收稿日期:2009-05-26;修订日期:2009-07-08 基金项目:江西省教育厅科研项目(7-02293)资助 作者简介:章少华(1967一),男,江西余干人,主要从事稀土发光材料的研究。 E—mail:shaohua.zhang@smut.corn,Tel:(0791)3969553 第1期 章少华,等:C ̄MgSi O :Eu 绿色发光粉的低温合成及光致发光 55 20/( ) 图1不同CaCO 用量制备样品的XRD谱图 Fig.1 XRD patterns of samples sintered at different CaCO3 concentration(0:CaMgSi2 O6) 熔剂,又充当反应物,因此它没有完全反应。 3.2烧结温度 CaCO,的量X=1.5时,只改变烧结温度,烧 结时间均为3 h,合成样品的XRD谱图如图2 所示。 20/(。) 图2在不同温度下制备的样品的XRD谱图 Fig.2 XRD patterns of samples sintered at different tempe rature(。:ca2MgSi2O7;o:CaMgSi2O6; :CaSiO3) 实验结果表明:当烧结温度为800℃时,合成 的样品中含有大量的CaMgSi:O 、CaSiO,等杂相; 当烧结温度为850 oC时,合成样品中除了 Ca:MgSi2O7外,还有少量的CaMgSi O 杂相;当 温度在900℃时,合成样品的XRD谱图与 Ca2MgSi2O7的JCPDS标准卡(编号:88-0778)一 致,为Ca MgSi:O 纯相;当烧结温度继续升高时, 又出现了杂相CaSiO,。因此,选择最佳烧结温度 为900 oC。在该条件下,合成了镁长石结构的 Ca MgSi2O7,属四方晶系,ca¨与O 形成8配位 数的Ca“_J 。 3.3烧结时间 按上述原料配比和烧结温度,只改变烧结时 间,合成样品Ca MgSi O :Eu 的XRD谱图如图 3所示。从图中可看出,当烧结时间为2 h时,样 品中同时含有CaMgSi2O6、CaSiO3与Ca2MgSi2O7 相;当烧结时间延长至3 h时,合成样品的谱图与 标准Ca MgSi O,的XRD谱图一致。因此确定最 佳烧结时间为3 h。 图3 不同烧结时间制备的样品XRD谱图 Fig.3 XRD patterns of samples sintered for different time 3.4光谱特性 按合成条件,所得样品的激发光谱与发射光谱 如图4。从图4可知,Ca MgSi:O :Eu“发光粉可被 360~480 nm的光有效激发,表明非常适合制成从 近紫外光到蓝光激发的LED用发光粉。在4O0 nm 近紫外光激发下,发射光谱为最大发射峰值位于 529 llm,半峰全宽为78 nm,发光颜色为绿色,属 于Eu。 的4f65d 一4f 跃迁的宽带发射。但发射 峰两边稍不对称,这可能是由于激发光谱与发射 光有部分重叠,发射光产生了再吸收现象。从 Ca:MgSi O :Eu¨的发射光谱中只观察到529 nm 的发射峰,说明在四方晶系的Ca:MgSi O :Eu 中只有8配位的ca ,而Eu¨只取代这个8配位 的Ca 的位置,这与Aitasaloa等 报道的结果 一致。 A/nm 图4 Ca2MgSi:O :Eu 的激发光谱(a)与发射光谱(b) Fig.4 Excitation spectrum(a)and emission spectrum(b) 0f Ca2MgSi2O7:Eu 发 光 学 报 第31卷 3.5不同制备方法的发光性能比较 为了便于讨论,把上述合成ca MgSi O,: Eu“发光粉的方法称为低温法。按化学计量比 称取CaCO3(A.R.)、Mg(OH)2(A.R.)、SiO (A.R.)、Eu O,(99.99%),按质量分数为3%称 取H。BO,(A.R.)作为助熔剂,放入玛瑙研钵中 充分研磨后,置于刚玉坩埚中,利用高温固相法, 在碳还原气氛中于1 200℃下烧结4 h,热取出冷 却至室温,得到ca MgSi O :Eu 样品,这种合成 方法称为高温法。 图5是用两种不同方法合成的样品的激发光 谱。曲线a,b分别为低温法和高温法合成的 Ca MgSi2O,:0.02Eu“样品的激发光谱,它们的形 状相似,但前者的强度明显强于后者。曲线a的 三个明显的激发峰分别位于306,387,430 nm处, 它们的相对强度比为0.92:0.96:1.00。而曲线b 的三个明显激发峰分别位于308,388,432 nm处, 与低温法的激发峰位置基本相同,但形状出现差 异,三个激发峰的相对强度比为0.59:0.93: 1.00 图5 C%MgSi2O :0.02Eu 的激发光谱,(a)低温法; (b)高温法。 Fig.5 Excitation spectrum of C%MgSi2O7:0.02Eu“.(a) Low sintering temperature method;(b)Hish sinte- ring temperature method. 图6是两种不同方法合成的样品在400 nm 的光激发下的发射光谱。曲线l一5与曲线6— 10分别是用低温法与高温法制备的Ca:MgSi:O : xEu“( =0.01,0.02,0.03,0.04,0.07)样品 的发射光谱。从图中可看出,两种方法制备的样 品,Eu¨的掺杂摩尔分数为0.02时发光强度达到 最大值。曲线6~10的主峰在532 nm处,强度普 遍低于曲线1—5的强度。其中低温法制备的 Ca MgSi2O :0.02Eu 发光粉发射光强度是高温 450 475 500 525 550 575 600 625 A/nm 图6 C%MgSi2O7:xEu 的发射光谱(低温法:1. = 0.01,2. =0.02,3. =0.03,4. =n 04,5. : 0.07;高温法:6. =0.01,7. =0.02,8. = 0.03。9. :0.04.10. =0.07) Fig.6 Emission spectrum of C%MgSi2 O7:xEu (Low tem- perature method:1. =0.01,2. =0.02.3. = 0.03,4. :0.04,5. =0.07;High temperature method:6. =0.01,7. =0.02,8. =0.03, 9. =0.04。10. =0.07) 法的261%。低温法制备的样品发光强度明显强 于高温法,其原因可能有以下三个方面:从图7的 不同制备方法所得样品的XRD图谱比较可知,高 温法制备的样品还有少量SiO 未能反应完全,低 温法制备的样品物相比较纯,因此发光强度相对 较强;用低温法制备Ca:MgSi2O,:Eu 发光粉, CaC1:的加入作为反应物的同时,在发光体形成 过程中起帮助熔化和熔媒作用,因此可以降低基 质形成晶体的烧结温度和促使激活剂进入晶格形 成发光中心,进而提高发光强度;当有CaC1:存在 时,氯离子具有一定的还原性,更有利于Eu¨被 完全还原成Eu“。 上LL .u 山 L一.』 一 ...: . ..。 一.. Sli0一2… 1O 2O 3O 4U 5U 6【) 7O 8O /(。) 图7不同制备方法制备的样品XRD谱图,(a)高温法; (b)低温法。 Fig.7 XRD patterns of the samples sintered with diferent mehtod.(a)Hish temperature method;(b)Low temperature method. 第1期 章少华,等:Ca2MgSi O :Eu 绿色发光粉的低温合成及光致发光 57 4 结 论 迁所至。该发光粉可被360~480 nm的光有效激 发,是一种性能良好的适于从近紫外光到蓝光激 发的LED用发光粉材料。与高温法相比,低温法 制备的Ca MgSi O :Eu¨发光粉激发光谱形状出 现差异,并且发射光强度显著增强,其中低温合成 采用固相法,利用CaC1 在烧结过程中即作 助熔剂又充当反应物,在较低温度下合成了 Ca MgSi O :Eu 发光粉。并确定其最佳反应条 件为按CaCO3、Mg(OH)2、SiO2、CaC12的量的比 1.5:1:2:2.4时,烧结温度为900℃,烧结时间为 的Ca MgSi O7:0.02Eu¨发射强度是高温粉的 261%,其原因是低温法合成的物相更纯、CaCl: 的加入有助熔剂作用及氯离子具有一定的还原性 更有利于Eu“被完全还原成Eu“。 3 h。合成的样品发射主峰位于529 nm的绿光, 为Eu¨取代8配位的ca 而产生4 5d 一4f 跃 参考文献: [1]Lei Fang,Xu Chongfu,Yang Minli,et a1.Preparation of blue phosphor SrAl2 Si2 O8:Eu“with sol—gel method[J].Chin. _,.Lumin.(发光学报),2005,27(4):479-483(in Chinese). [2]Gao Lizhen,Li Tianfeng,Yan Yuli,et a1.Preparation by sol—gel process and photoluminescence 0f Zn2 SiO4:Mn nanopar- ticles[J]. Xuchang University(许昌学院学报),2006,25(5):41-43(in Chinese). 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Key words:phosphor powder;Ca:MgSi2O7:Euz ; lux medium;low syntfhetic temperature;PL CLC number:0482.31 PACS:78.55.Hx PACC:7855 Document code:A Received date:2009-05-26 重要启示 本刊为方便广大作者的论文进行国际交流,并进一步加快我刊国际化进程,现向广大 作者征集相关英语全文写作论文。对专家和编委审查合格的论文,我们将采取优先发 表等优惠措施,欢迎广大作者踊跃投寄英语全文写作的学术论文。论文征集范围仍参见 《发光学报》征稿简则。 《发光学报》编辑部 

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