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绿色荧光粉Gd2Ba3B3O(12):Tb(3+)的发光性能研究

2023-03-14 来源:星星旅游
第31卷,第3期 光谱学与光谱分析 Vo1.31,No.3,pp617—620 2 0 1 1年3月 Spectroscopy and SpectraI Analysis March,2011 绿色荧光粉Gd2Ba3B3O12:Tb3+的发光性能研究 赵文玉 。,樊 彬 ,李松波 。,张国斌。,戴亚堂 1.内蒙古科技大学化学与化工学院,内蒙古包头014010 230029 2.北京科技大学冶金与生态工程学院,北京 100083 3.中国科学技术大学国家同步辐射实验室,安徽合肥4.西南科技大学材料科学与工程学院,四川绵阳 621000 摘要采用高温固相法制备了一系列GdzBa。 O z:Tb抖绿色荧光粉,借助X射线粉末衍射仪(XRD)、 真空紫外光谱和荧光光谱仪(VU UV)对样品的物相、发光性能进行了表征。结果表明,Tb件作为发光中 心全部进入到基质GdzBa。岛O z的品格中并占据Gd抖的位置。样品GdzBaa B3O z:Tb抖的VUv_UV激发 光谱主要由160 ̄200 nm和200 ̄250 nm的宽峰以及260 ̄280 nm和300 ̄320 ilm的锐利峰组成。宽峰是 由于基质吸收和Tb抖的_厂一d的跃迁形成的,锐利峰是由于Tb 和Gda 的 厂特征跃迁形成。样品 _Gd Ba B3O 2:Tb 的最强发射峰位于543 nlTI,对应于Tb”的 D4一 光粉应用于等离子体显示器(PDP)领域。 关键词绿色荧光粉;VUv_UV;Gd2Ba3 O12:Tb ;PDP 文献标识码:A 跃迁。在172 am激发下,样品 Gd 。Tb0 sBa。 O z的发光强度最强,其色坐标为(O.313 6,0.484 3),衰减时间为2.98 ms,可作为绿色荧 中图分类号:0482.3 BOI:10.3964/i.issn.1000—0593《2011)03—0617—04 射543 nm的绿光,自旋耦合对自旋禁戒的屏蔽,使之具有 引 言 近年来,随着人们对环境保护的日益重视,开发无汞光 较短的余晖时问和较高的猝灭浓度,即使掺杂量达到100%, 其发光强度也不会降低,这就克服了上述Mn2 的缺点。在 基质的选择上,因为硼氧四面体基团在真空紫外波段均有较 强吸收,所以,硼酸盐具有良好的真空紫外光吸收能力。此 源已成为当前人们重要的研究方向之一。其中,利用稀有气 体氙气(Xe)放电辐射(172 rim)来激发荧光粉从而制造无光 光源引起了学者们的广泛关注 ]。但是,如果想要提高对氙 气辐射能的利用率,就必须开发与之相适应的发光材料l2]。 也就是说,发光材料必须具备对172 rim光有强的吸收性能, 且可以高效地将吸收的能量转化为可见光。当前,商用发光 材料以红色荧光粉Yz()3:Eu3 ,(Y,Gd)I103:Eu ,绿色 荧光粉z2Si04:Mn2 ,BaA1 2()l。:Mn2 和蓝色荧光粉 BaMgAI10O17:Eu抖为主。Zn2Si04:Mn2 和BaAl12 019: 外,硼酸盐还具有优良的发光性能、稳定的物理化学特性、 优良的耐真空紫外光辐射和抗离子轰击能力。然而,到目前 为止,关于绿色荧光粉Gd Ba。 O Tb抖的详细报道较少。 基于以上分析,本实验主要致力于Tb抖掺杂Gd:Ba。B{O。 荧 光粉的制备和光谱性能研究,为研发新型绿色荧光粉提供了 可靠的实验数据。 1实验部分 1.1样品的制备 主要原料为分析纯级的BaCO。和H。BOa以及99.99% 的Gdz03和Tb2 。 Mn 以Mn2 作为发光中心,由于Mnz 的自旋禁戒的 Tl一 At发射,其余辉时间过长,不利于动态画面的显示。虽然 其余辉时间可以随着Mn2 掺杂浓度的提高而缩短,但是, 其发光强度也会随之迅速降低。因此,开发新型绿色荧光粉 迫在眉睫。 在发光中心的选择上,Tb抖的特征跃迁 D 一 收稿日期:2010—04—26。修订日期:2010—07—21 按照一定摩尔比(Gd2 T Ba3 B{O12,.27—0.01~O.40, 硼酸过量20 mo1 )准确称取各原料,置于玛瑙研钵中充分 研磨,放人刚玉坩埚中在700℃条件下预烧4 h,然后自然冷 会发 基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2007AAxxx133)和内蒙古自治区自然科学基金项目(20080404MS0204)资助 作者简介:赵文玉,女,1980年生,内蒙古科技大学化学与化工学院讲师 *通讯联系人 e-mail:fb8726@163.corn 第3期 光谱学与光谱分析 619 研究Y2Ba。B3O ;Tb”时发现276和312 rim处没有出现相 应的激发峰。 与大多数三价稀土离子的发光原理相同,Tb抖的发射属 于4厂层内的_厂~_厂跃迂,但由于受5s5p的屏蔽,使其几乎 不受晶体场的影响。因此,在相同的基质中,不同掺杂量 Tb。 其发射峰的位置不变,仅是发光强度不问。图4为样品 Gd。Ba3 O :Tb抖的发射光谱,其激发波长为172,188, 243和276 nm。 g 若 300 400 500 600 Wavlength/nm Fig.4 Emission spectra of the sample GdzBa3B3Ol2:Tb3 phosphor( =172,188,243 and 276 rim) 由图4可见,样品Gd Ba。 O z:Tb 的发射峰由位于 3l1,378,415和435 nlTl处的几个弱峰以及位于3ll,487, 543,582和620 rim处的几个较强峰组成,其中,以543 nm 发射峰为主。3n nm对应于Gd抖的特征发射跃迁 一 S ‰487,543,582和620 nm分别对应于Tb抖的特征发射 跃迁 DI一 ,5D4一 ,5 D4一 F1和 D4一 [ , 。一般 情况下, D4一 F1, 的跃迂难以观察到。在Vuv_uV激 发下,一部分激发能量被基质吸收后通过共振传递给Tb”, 一部分激发能量则直接被Tb抖吸收。最后,这两部分传递到 Tb 的能量通过多声子弛豫到 D4能级,产生跃迁发射l9j。 另外,样品Gdl-85Tb0' 15Ba3 B3O12在172,188,243和276 nm 激发下的色坐标分别为(0.313 6,0.484 3),(0.310 5, 0.513 9),(0.304 1,0.544 O)和(0.313 6,0.523 5),说明样 品属于绿色发光粉。 2.3 Tb3 掺杂量对样品发光强度的影响 掺杂稀土离子(Tb”)的浓度是影响样品发光强度的重 要因素之一,所以需要对掺杂量进行优化。样品Gd。一 T Ba3 O z( 一0.01~O.40)发光强度与激活剂Tb 掺杂 量的关系如图5所示,激发波长为172 nm。 暑 ‘童 童 0 0.1 0.2 0 3 0.4 Content of Tb /(tool L ) Fig.5 Effect of T doping concentration on the luminescent of Gd2一 TbxBa3 B3O12( =0.O1~0.40) 由图5可见,随着Tb”掺杂量的增加,发光强度迅速增 强,当x=0.15时,发光最强;此后增加Th3 掺杂量,发光 强度又逐渐降低,可能发生浓度猝灭现象。引起浓度猝灭的 原因有两个:一是由于激活剂离子Tb抖掺杂量过高时,离子 间距离变短,相互作用增强,产生能量转移;二是根据T 的能级图分析,激发态 D3与 D4能级间的能量差和基态 F 与 F0能级间的能量差相近,当Tb什掺杂量增加使它们 之间相互作用增大时,就可能发生 D。一 D4与 一 或 D。一 Fc与 一 D4的交叉弛豫过程导致荧光发射被猝 灭。 2.4荧光寿命分析 荧光粉的荧光衰减寿命是研究发光动力学的一个重要参 数,也是衡量荧光粉性能的重要指标之一。我们用英国Ed— inburgh公司的FLS920组合式荧光寿命与稳态荧光光谱仪 对所合成的发光材料进行了紫外激发下荧光衰减曲线,结果 如图6所示。 ㈣ 啪 ㈣ 彻 瑚 0 0 5 10 15 20 Time/ms Fig.6 Decay CUI'ves for the sample C,d1.85 .1sBa3 B3 0l2 由图6町见,样品的测试结果用一阶指数方程J 一 J。exp(一t/r)进行了荧光寿命拟合,其中r是衰变寿命, 。为 最初发光强度。根据拟合,荧光寿命r大约为2.98 ms。对于 PDP儿言,因为人眼对运动图象的视觉残留时间约5 Ills,这 要求用于显示的VuV荧光粉的余辉时间在1~5 ms之间为 佳。但目前PDlP用VUV绿色荧光粉常用Zn2SiO :Mn,其 余辉时间约lO~15 ms,比合理的余辉时间大得多,这就造 成了PDP显示运动图象时会产生拖尾现象,不利于显示。由 此可见,本实验制备的荧光粉的荧光衰减很快,小于5 ms, 可以更好地满足PDP显示的应用要求。 3结论 本文采用高温固相法制备绿色荧光粉Gd Ba。B3O 。: Tb”,其激发光谱主要由160 ̄200 nrn和200 ̄250 nm的宽 峰以及260 ̄280 nm和300~320 nlTl的锐利峰组成,存在 Gd”一Tb抖之间的能量传递。样品Gd Ba。B={O :Tb”的发 射光谱由Tb抖的 D4一 FJ(J一3,4,5,6)以及Gd”的 P『 一。S /。组成,其中,以。D 一 跃迁为主,属于绿色荧光 粉。在172 nm激发下,通过研究Tb”掺杂量对 Gd Ba。B{O 。:Tb计发光强度的影响表明,当Gd和Tb原子 数比为1.85:o.15时,样品的发光强度最佳,存在浓度猝灭 现象。样品Gd s Tb s Ba。B3O z的色坐标为(0.313 6, 620 光谱学与光谱分析 第3l卷 0.484 3),衰减时间为Z.98 ms,表明样品GdzBa。BsO12: 有广阔的应用价值。 Tb3 可以作为绿色荧光粉应用于PDP和无汞荧光灯中,具 L1j He Ling,Wang Yuhua.Journal of Alloys and Compounds 2007,431:226. E2]Kim Chang-Hong,Kwon I1一Eok,Park Cheol—Hee,et a1.Journal of Alloys and Compounds,2000,311:33. [3]Shannon R n Acta Crystallogr.,1976,A32:751. [4]Liang Hongbin,Su qiang,Tao Ye,et a1.Materials Research Bulletin,2006,41:1468. Is]Duan Chen ̄un,Li Weifeng,Wu Xueyan,et a1.Materials Science and Engineering,2005,121:272. L6j Dorenbos P.J.Lumin.,2000,91:I55. [7]Xu Zhenhe,Yang Jun,Hou Zhiyao,et a1.Materials Research Bulletin,2009,44:850. E8]Xu Zhenhe,Li Chunxia,H Guogang,et a1.J.Phys.Chem.C,2010,l14:2573. [9]HOU Tao,HE Da-wei,LI Xin,et al(侯涛,何大伟,李鑫,等).Rare Metal Materials and Engineering(稀有金属材料与工程), 2007,36(增刊2):422. Photoluminescence of Green Phosphors Gd2 Ba3 B3 0l2 Doped with Tb3+ ZHA0 Wen-yu ~,FAN Bin ,LI Song-bo ,ZHANG Guo-bin。,DAI Ya-tang 1.School of Chemistry and Chemical Engineering,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010, China 2.School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of cSience and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3.National Synchrotron Radiation Laboratory。University of Science and Technology of China,Herei 230029,China 4.School of Materials Science and Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621000。China Abstract The green emitting phosphor.Gdz Ba: ̄Bs Olz:Tb。 was synthesized with the method of high-temperature solid-state react!on. The phase structure and photoluminescence(PL)properties of the samples were characterized by The X-ray diffraction (XRD),vacuum ultraviolet spectrum and ultraviolet spectrum(Ⅵ UV).The results indicate that Tb3 ion acting as the luminescent center inhabited the site of Gd抖ion jn the host of Gd2 I B3 012.Tlhe VUV_UV excitation spectrum consists of the two strong broad bands at about 16O~200 and 200~250 nln and sharp lines at about 260~280 and 300~320 nrtL The two strong broad bands were assigned to the host absorption and l—d transition of Tb .The sharp lines were ascribed to the t—l transition of Tb什and Gd什.All the samples of Gd2Ba3 O1 2:Tb。 exhibit strong green emission corresponding to D4 F5 transition(543 nm)of Tb3 under VUv_Uv 1ight excitation.Under 172 nm excitation,15 mol Tb3 doped GdzBa3 0l2 sample exhibits strong green emission with good color purity( —O.313 6, —O.484 3)and a fitted a decay time z-around 2.98 ms.It can be concluded that this series of phosphors Gd2 Ba3 012:Tb抖is a promisign green vacuum ultraviolet(Ⅵ『、,)phos— phor for plasma display panels(PDPs)and Hg-free fluorescent tubes application. Keywords Green emitting phosphor;VU、 UV;Gd2Ba3 B{O12:Tbs ;PDP (Received Apr.26,2010;accepted Ju1.21,2010) *Correspondign author 

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