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Eu~(3+)掺杂2ZnO·2.2B_2O_3·3H_2O红色荧光粉的发光性能

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第32卷第7期 发 光 学 报 CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCE Vol_32 No.7 2011年7月 July,2011 文章编号:1000-7032(201 1)07-0709-06 Eu+掺杂2ZnO・2.2B2 O3・3H2 O 红色荧光粉的发光性能 乐 天 ,曾庆光 ,张 梅 ,黄 天 ,颜强望 ,王 忆 (1.五邑大学应用物理与材料学院,广东江门2.五邑大学化学与环境工程学院,广东江门529020; 529020) 摘要:采用水热法合成2ZnO・2.2B:O ・3H O:Eu 红色荧光粉。其形貌、结构和光学性能分别用扫描电 镜、x射线衍射和荧光光谱进行表征。扫描电镜图片显示样品的尺寸分布在0.1~1 m范围内。随着Eu“ 掺杂浓度的升高,样品向无定形的玻璃态转变。当激发波长为253 nm(属于Eu 一O 电荷迁移带吸收)时, 样品中Eu“的发光强度远远强于用394 nm激发的;当掺杂量增大到24%[n(Eu”):n(Zn“)=24%]时,出 现浓度猝灭效应。随着样品退火温度的升高,样品逐渐变成为无定形的玻璃态。当样品的退火温度升高至 400 oC时,Eu”的发光强度减弱,与此同时出现了一个新的宽发射峰(峰位在470 am,对应于Eu 的发射峰), 说明在此温度下部分Eu“被还原成Eu“。 关键词:水热法;硼酸锌;发光 PACS:78.55.ttx PACC:3250F;7855H 文献标识码:A 中图分类号:0482.31 DOI:10.3788/fgxb201 13207.0709 Eu¨1 引 言 、Mn 共掺杂的zn,(BO ) 的发光材料,发 现Eu¨的发射主峰位于615 rim,Mn 共掺杂可 以增强Eu 的发光强度 。通过将ce¨ r 共 硼酸盐基质材料由于具有合成温度低、化学 性质稳定等许多优异的性质而倍受关注。目前已 被实用化的硼酸盐材料如13.BaB:O 、LiB O 、 掺杂到zn (BO ) 荧光粉中发现:Al¨的引入可 以增强ce¨的发射 。除了用zn (BO。) 作为 基质,还有以仅一Zn(BO。) 为基质的荧光粉,如 ・YCa (BO ) 等晶体,已成为重要的激光频率转 换非线性光学晶体。稀土离子的发光主要来自于 4f内层电子之间的跃迁,可产生线谱或窄带谱, 荧光强度大。Eu¨是常用的红光激活离子,在可 Zn(BO2)2:Eu等… 。 硼酸锌的结构非常多 ,只要改变z n 与 见光区域其发射光谱由一组谱线组成,归属 于 Dn—F,(J=0~4)。特别是当Eu¨占据非反演 对称中心格位时,以 D。一F:发射为主,其发射峰 通常位于613 nm左右 。将稀土离子掺杂到硼 酸盐的基质中可获得光学性能优异的发光材料, 如(Ce,Gd,Tb)MgB O 。已经被广泛应用在灯用 B¨的配比就能得到不同结构的硼酸锌,其性能 也随之发生变化。因此,有必要对稀土离子掺杂 的硼酸盐材料的合成和发光性能进行系统的研 究。本文采用水热法合成了2ZnO・2.2B,O ・ 3H 0:Eu¨荧光粉,对它的物相、形貌进行了研 究,并研究了Eu¨掺杂浓度和退火温度对其发光 性能的影响。 发光材料中[2 J,(Y,Gd)BO :Eu¨等也是PDP显 示用的重要的红色荧光粉 引。近年来,以硼酸 锌为基质的稀土掺杂的发光玻璃和荧光粉常见于 报道 J。有研究小组研究了Eu¨单掺杂和 收稿日期:2011-02—25;修订日期:201143504 2 实 验 采用水热法合成不同浓度Eu¨掺杂的样品。 基金项目:国家自然科学基金(11004153);广东省自然科学基金(10152902001000009);广东省科技计划(2009B030803015);2008 年五邑大学重点科研基金(五邑大学校科字[2009]1号)资助项目 作者简介:乐天(1986一),女,江西金溪人,主要从事稀土离子掺杂半导体纳米材料的研究。 :通讯联系人;E-mail:zengqg@mail.ustc.edu.cn 710 发 光 具体步骤:取化学计量的Eu O (99.99%)溶于稀 硝酸中,形成无色溶液,然后加入符合计量的 Zn(CH3CO2) ・2H:0(99%)和H BO (99%)(过 量50%),并不断搅拌,再加入去离子水至所有样 品完全溶解。在高速搅拌的情况下加入氨水,调 节pH值到7,总体积控制在50 mL。最后将得到 的白色胶体转入高压釜中经200 oC水热处理24 h 后,冷却到室温。将产物取出过滤,用去离子水和 无水酒精洗涤数次后,80℃烘干。最后将产物分 别在80,200,300,400 oC下退火3 h。 用X’Pert PRO型的x射线粉末衍射仪(Cu 靶Kot辐射)测定所制备的样品x射线衍射 (XRD)谱;用扫描电镜(FEI,NanoSEM 430)对形 貌进行表征;激发和发射光谱用HITACHI F-4600 荧光光度计测量。 3结果与讨论 3.1物相分析 为了确定所合成样品的物相,对样品进行了 XRD分析。图1是Eu¨掺杂摩尔分数分别为 7%,11%,17%,24%样品的XRD图谱。样品的 主要衍射峰位于10.5。,15.5。,24.4。,27.2。,31.5。, 归属于2ZnO・2.2B2O3・3H2O lz]。另外,在图 中还出现了未完全反应的硼酸的衍射峰(例如: 峰位为15。,27.6。,40。)。从图中可以看出,随着 Eu¨掺杂摩尔分数的增加,样品衍射峰的强度逐 渐减弱,出现一些宽化的弥散峰(例如掺杂摩尔 分数为17%的样品)。这主要是由于zn¨的离子 半径(0.007 4 nm)与Eu¨的离子半径(0.009 5 nm)相差较大。在低浓度掺杂时,少量的Eu“对 图1不同Eu掺杂浓度的2ZnO・2.2B2O3・3H20:Eu¨ 荧光粉的XRD图谱 Fig.1 The XRD patterns of zinc borate samples doped with diferent c0ncentrations of Eu 学 报 第32卷 2ZnO・2.2B:O3・3H2O晶格影响不大;但如果 Eu¨的掺杂浓度继续增加,会严重引起2ZnO・ 2.2B O ・3H O晶格扭曲,出现无定形的玻璃化 状态 13]。 3.2样品形貌表征 图2是样品的SEM照片,其中图2(a)和图2 (b)对应的分别是Eu¨的掺杂摩尔分数为11% 和30%的样品。比较图2(a)和图2(b)发现,随 着Eu¨掺杂摩尔分数的增加,样品的粒径没有明 显变化,尺寸分布在0.1—1 m之间,有团聚现 象发生。 图2 2ZnO・2.2B2O3・3H2O:xEu¨的SEM图片, (a) =0.11;(b) =0.30。 Fig.2 SEM images of 2ZnO・2.2B2O3・3H20:xEu¨, (a) :0.11;(b) =0.30. 3.3荧光光谱分析 图3是在614 nm监测下Eu¨掺杂摩尔分数 分别为3%,9%,11%,17%,24%,27%,30%的 样品的激发光谱,激发峰位在253 nm对应的是 Eu 的电荷迁移带(CTB)¨ ;其余的锐线峰归属 于Eu。 的4f电子层内电子之间的激发跃迁,具体 激发峰的归属在图3中已标出。从所测的激发光 谱中可以看出,Eu 的电荷迁移带激发的强度远 远大于Eu¨的4f电子层内的吸收跃迁。 图4(a)和(b)分别是在253 nm和394 nm的 第7期 乐天,等:Eu 掺杂2ZnO・2.2B O ・3H O红色荧光粉的发光性能 711 在2ZnO・2.2B O ・3H O基质中所处的格位对 称性较低。另外,图4(b)中的发射谱(激发波长 为394 nm)与图4(a)(激发波长253 nm)的相似, 只是发光强度不同。从图中可以看出:在253 nm 激发下样品的发光强度远远强于在394 nm激发。 这与在激发光谱中得到的结果一致。 为找出Eu¨的最佳掺杂量,本文制备了不 同Eu¨掺杂摩尔分数的样品。图5是样品分别 在253 H1TI和394 nm激发下, D0一 F,(J=0, 图3不同Eu“掺杂摩尔分数的2ZnO・2.2B2O3・3H2O: Eu“的以614 nm为监测波长的激发光谱 Fig.3 Excitation spectra of zinc borate samples doped with differ nt mo1e fraction of Eu monitored at 614 nm 1,2,3,4)跃迁峰的归一化强度随着Eu¨的掺杂 摩尔分数变化的关系图(两曲线分别以Eu¨掺 杂摩尔分数为24%样品的发射强度为一,进行 归一化处理)。从图5中可以看出,不管是用 394 nm还是用253 nm的光激发样品,Eu“的 激发下,不同摩尔分数Eu¨掺杂样品的发射光谱。 在图4(a)中,样品的发射峰来自Eu 的 D 能级 到 F , F:, F , F 能级的跃迁,对应的发射峰值 波长分别是589,614,652,700 nm。发光强度最 最佳掺杂摩尔分数都是24%。随着Eu¨掺杂 摩尔分数的增加, D。一 F,(J=0,1,2,3,4)跃 迁峰的强度都是先增强后减弱。当Eu¨的掺杂 摩尔分数达到24%时, D。- ,(J=0,1,2,3,4) 跃迁峰的强度最大;当继续增加Eu¨的摩尔分 数时,发光强度逐渐减弱。 强的来自 D。一 F 跃迁,属于电偶极跃迁,遵循 AJ=2选律。这种跃迁是严格禁戒的,但当Eu¨ 处于非对称中心格位时,则禁戒会解除。说明Eu¨ x(Eu3+) 图5(a)不同波长激发下,2ZnO・2.2B2O ・3H20:Eu“ 发射的归一化强度随Eu 摩尔分数的变化, (a)A =253 nm;(b)A :394 nm。 Fig.5 Normalized emission intensity of 2ZnO・2.2B2 O3・ 3H2 O:Eu versus Eu。 mol fraction excited at (a)253 nm and(b)394 nm. 3.4退火温度对Eu¨掺杂2ZnO・2.2132o3・ 3H O发光性能的影响 图4不同掺杂摩尔分数的2ZnO:・2.2B:O,・3H O: Eu”的发射光谱,(a)在253 nm激发下;(b)在394 nm激发下。 Fig.4 Emission spectra of zinc borate samples doped with different mol fraction of Eu”,为了研究方便,选取2ZnO・2.2B,O ・3H,O: 0.13Eu¨的样品作为研究对象。图6是经过不同 退火温度(80,200,300,400 qC)处理后样品的 XRD谱图。从图中可见,随着退火温度的升高样 品的衍射峰强度减弱。当退火温度升至400℃, 样品已变成无定形的玻璃态。 (a)A =253 nm; (b)A =394 nm. 712 发 光 学 报 第32卷 3H:O在DSC曲线中出现配位水的失重峰。这导 致了2ZnO・2.2B O。・3H O晶体结构发生变化。 如图6中的XRD所示,样品经过400 oC退火处理 后,样品已变成为无定形的玻璃态,这可导致Eu¨ 离子的发射强度明显减弱。其次,当退火温度为 400 oC时,在470 nm处出现一个宽的发射峰(对应 为Eu 离子的发光峰),这说明在4OO℃退火时部 分Eu”还被还原成Eu“。 2oI( ̄ 综合上述激发、发射光谱可知,当样品的退火 图6不同退火温度的2ZnO・2.2B2O3・3H20:0.13Eu” 温度在300℃以下,Eu¨的发射强度变化不大;当 样品的XRD图谱 样品的退火温度高于300 oC时,样品逐渐变为元定 Fig.6 The XRD patterns of2ZnO・2.2B203・3H20:0.13 Eu。 anfiealed at diferent temperature 形的玻璃态;同时,部分Eu¨被还原成Eu¨,导致 Eu”离子的发光强度明显减弱。 图7是经过不同退火温度(80,200,300,400 /2 ℃)处理后样品2ZnO・2.2B2O3・3H20:0.13Eu“的 1 激发光谱(614, nm作为监测波长)。从谱中可以 \3 发现:当退火温度低于300 oC时,激发峰的强度没 有明显的变化;但当退火温度高于300 oC时,样品 的激发峰强度显著减弱。图8是在经过不同退火 温度(80,200,300,400℃)处理后的2ZnO・ r L一 2.2B O ・3H2O:0.13Eu样品的发射光谱(253 RITI 400 500 6o0 7o0 为激发波长)。从图8中也看到类似的现象,即 A/nm 样品退火温度低于300℃时,Eu¨离子的荧光强 图8 不同退火温度的2ZnO・2.2B2O3・3H20:0.13Eu¨ 度变化不大,但当样品温度高于400℃时,发光强 样品的发射光谱 度明显减弱。分析其原因主要有两点:一是在文 Fig.8 The emission spectra of 2ZnO・2.2B2O3・3 H2O: 献[12]中报道了在300℃时,2ZnO・2.2B O,・ 0.13Eu annealed at diferent temperatures 4结 论 采用水热法合成了Eu¨掺杂的2ZnO・22B203・ 3H,O发光材料,并对它的结构、形貌和发光性质进 行了研究。x射线衍射结果表明:由于Eu¨和 zn 的离子半径差别较大,所以随着Eu¨掺杂浓 度的增加,样品朝无定形的玻璃化状态转变;荧光 光谱分析表明,样品在253 nm的激发下荧光强度 最强;当Eu¨离子掺杂摩尔分数达24%时才发生 图7不同退火温度的2ZnO・2.2B203・3H20:0.13Eu¨ 浓度猝灭效应。当退火温度低于300 oC时,Eu¨的 样品的激发光谱 发射强度变化不大;而当退火温度高于300 oC时, Fig.7 The excitation spectra of 2ZnO・2.2B2O3‘3H20: 样品逐渐变成为无定形的玻璃态,部分Eu¨被还 0.13Eu。 annealed at different temperatures 原成Eu ,导致了Eu¨离子的发光强度明显减弱。 参考文献: [1]Blasse G.Luminescent Material[M].Berlin:Springer,1994:40-45 第7期 乐天,等:Eu 掺杂2ZnO・2.2B 0 ・3H:0红色荧光粉的发光性能 713 [2]Leskel ̄M,Saakes M,Blasse G.Energy transfer phenomena in GdMgB5O1o[J].Materials Research Bulletin,1984,19 (2):151—159. 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Luminescent Properties of Eu¨一doped 2ZnO・2.2B2O3・3H2O LE Tian’一,ZENG Qing.guang ,ZHANG Met ,HUANG Tian ,YAN Qiang—wang ,WANG Yi (1.School Applied Physics and Materials,Wuyi University,Jiangmen 529020,China; 2.School of Chemical and Environmental Engineering,Wuyi University,Jiangmen 529020,China) Abstract:Eu“doped 2ZnO・2.2B2O3・3H2O,was synthesized by hydrothermal method.The morphology, crystal phase and luminescent properties of the sample were characterized by scanning electronic microscopy (SEM),X—ray diffraction(XRD)and fluorescence spectra,respectively.The SEM image shows the particle size of the as—prepared powder is ranged from 0.1 to 1 txm.The crystal phase of the as—prepared powder is toward to glass state with the increasing of Eu content.The fluorescence spectra of Eu --doped 2ZnO・2.2B2 O3‘3 H2 Oreveals that the emission intensity of Eu“excited by 253 nrll(corresponding to the charge transfer band of Eu 一O 一、is much stronger than it excited by 394 nm.The optimism doping concen— tration is 24%[ (Eu¨):n(Znn)=24%].When the annealing temperature is increased up to 400 c【=, 7lZl 发 光 学 报 第32卷 decrease in the emission intensity of Eu¨and appearance of a new fluorescence peak(the peak position at 470 nm)assigned to the emission of Eu“is observed. Key words:hydrothermal method;zinc borate;photoluminescence CLC number:0482.31 PACS:78.55.Hx PACC:3250F:7855H Document code:A DOI:10.3788/fgxb20113207.0709 Received date:201 1-02 ̄25 <>●0●<>●0●0●o●0●<>●0●0●◇●0●<>●0●0●0●0●0●◇●0●<>●000●0●0●0●◇●0●<>●0●0●0●0●<>●0●0●o●<>●0●o●<>●o●<>●o● 欢迎订阅《光机电信息》(月刊) 本刊由中国光学学会、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所主办,科学出版社出版。 本刊征集光学和应用光学、光电子学和激光、微纳科技、材料科学、电磁学和电子学、机械、信息科学和技术等几大领 域如下形式的文章: 1.研究信息快报 本栏目主要报道最新研究成果、阶段新结果、片段新结果的介绍或说明,不要求是纯学术论文。目的是为那些尚未 能形成正式研究论文,但希望把已有的最新研究成果、阶段或片段新结果抢先发表的科研工作者提供一个平台,保护广 大科研人员的知识产权。主要内容包括研究背景简介、研究过程或实验过程简述、观察到的结果、数据及相关信息说明、 评论等,附图表数据等,也可附参考文献(一般不要求)。本栏目发表的论文数据不影响在正式发表论文时使用。 本栏目出版周期:收稿日期为每月5 13之后、25 13之前收到,下月即出版发表。如为当月5号之前收到,当月发表。 2.研究快报 本栏目主要征集研究新成果的快速报道,要求同其他刊物的研究快报。要求具有如下内容:摘要、关键词、研究背景 (引言)、研究过程或实验过程、研究结果、参考文献。 3.研究评论 对当前最新研究结果或研究动态的评论和展望,或基于他人研究结果的二次开发或更深层次的研究结果报道。 4.综述文章 (1)综述本领域或本学科的研究成果和进展、发展动态和趋势;(2)作者本研究群体的研究工作综述。 5.研究论文 征集研究新结果的学术论文。 6.应用开发类论文 接受各类大学、研究所、企业自主研发的新产品性能报道和新应用报道;新型器件在系统应用结果方面的报道等。 这类论文是反映企业研发创新和对自身产品的再认识的能力、并能够让用户更好tgT解产品性能、拓展应用范围的手 段。本栏目论文具有产品推广广告作用。 7.成果信息和研发信息 本栏目主要为大学、研究所等研发部门发布研究成果信息或项目工程研发信息;企业需要开发或攻关的项目信息 等。目的是为研发部门和企业之间架起沟通桥梁。 8.各类形式的企业宣传、广告,具体来电来函商谈,本刊做各类宣传、广告,费用低廉。 “好酒也怕巷子深”——您的产品多一份广告就会多一份收益,低廉的费用可以节约销售人员的出差费用,而效费 比高,广告范围广。 在我们这里刊登的广告哪怕只为您带来一个客户——您就收回了广告成本,同时也给您带来了久远的影响和效益。 纸版的广告+电子版的广告——更值得客户信赖,更能为您培养潜在的中、远期客户。 网上投稿:E—mail:gjdxxw@gmail.con,xxfw@eiomp.ac.en 学报地址:长春市东南湖大路3888号 邮编:130033 

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