Eu、Dy共掺杂NaCa(PO3)3荧光粉的白光发射特性及其在WLED应用中的突破性研究

为解决传统白光LED(WLED)缺乏红光组分及多组分荧光粉配比难题，研究人员开展Eu/Dy共掺杂NaCa(PO3)3荧光粉研究。通过固相反应法成功制备出发射峰位于480nm和574nm的近白光荧光材料，CIE色度坐标证实其可实现冷白光发射(7254K)。该单基质白光荧光粉为简化WLED制造工艺提供新方案。

　　

在21世纪照明技术领域，白光发光二极管(WLED)因其低功耗、长寿命和环保特性正逐步取代传统照明光源。然而，当前商业化的磷光体转换型WLED存在明显短板：由Ce掺杂YAG荧光粉与InGaN蓝光芯片组合的方案缺乏红光组分，导致显色指数偏低；而近紫外芯片搭配红绿蓝三基色荧光粉的方案又面临配比控制难题。这些技术瓶颈严重制约了WLED在室内照明等高要求场景的应用。

为突破这些限制，研究人员将目光投向单基质白光荧光材料的开发。稀土离子因其独特的4f-4f和5d-4f电子跃迁特性，成为理想的光学激活剂。在众多候选材料中，NaCa(PO₃)₃基质因其三斜晶系结构和低降解特性引起关注。此前研究发现，Eu3?单独掺杂该基质可产生红光发射，而Tb3?掺杂则发射绿光。但通过共掺杂策略实现白光发射的研究尚未见报道。

在这项发表于《Next Materials》的研究中，印度Shri Rawatpura Sarkar大学物理系的研究团队创新性地采用Eu3?和Dy3?共掺杂策略，利用固相反应法成功制备出系列NaCa(PO₃)₃:Eu,Dy荧光粉。研究通过X射线衍射(XRD)确认晶体结构，场发射扫描电镜(FESEM)观察形貌特征，傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析分子键合，荧光光谱仪测量光致发光特性，并采用时间相关单光子计数(TCSPC)技术测定荧光寿命。

晶体结构分析显示所有样品均呈现三斜晶系结构（P1空间群），与ICSD 418632标准卡片匹配。通过Scherrer公式和Williamson-Hallplot计算发现，当Dy3?掺杂浓度为3mol%时晶粒尺寸最小（76nm），表明该浓度下结晶度最佳。离子半径差计算（Dy3?：8.30%，Eu3?：4.46%）证实稀土离子成功取代Ca2?位点，并通过三价离子双取代二价离子的机制实现电荷补偿。

形态学研究表明，样品呈现不规则颗粒形貌，平均粒径约8μm，这是固态反应法高温处理过程的典型特征。FT-IR光谱揭示了PO?3?基团的特征振动峰：485cm?1处为O-P-O弯曲振动，701cm?1处为桥氧对称伸缩振动，1111cm?1处为PO?3?不对称价振动，3430cm?1处则对应吸附水分子的伸缩振动。

光学性能研究表明，在351nm激发下，荧光粉呈现480nm（蓝光）和574nm（黄光）两个主发射峰，以及615nm（橙红光）的弱发射峰。光谱特征表明Dy3?的发射占主导地位，其分别对应?F?/?→?H??/?（磁偶极跃迁）和?F?/?→?H??/?（电偶极跃迁）跃迁。615nm处的弱发射来自Eu3?的?D?→?F?跃迁，表明Dy3?向Eu3?的能量转移效率较低。

研究人员提出了详细的能量传递机制：Dy3?离子在351nm激发下从基态?H??/?跃迁至?P?/?、?P?/?和?I??/?能级，随后通过非辐射跃迁弛豫到?F?/?能级。从此能级出发，电子向?H??/?和?H??/?能级跃迁产生蓝光和黄光发射。同时，部分能量通过?F?/?与Eu3?的?D?能级共振转移给Eu3?，产生红光发射。

浓度猝灭分析显示，当Dy3?浓度达到3mol%时荧光强度最高，随后因离子间非辐射能量转移而降低。通过临界距离计算（Rc=20.27?）确认浓度猝灭主要由多极-多极相互作用机制主导。荧光寿命测试结果与浓度猝灭现象一致，3mol%样品显示最优的衰减特性。

色度学分析表明，Dy3?浓度为3mol%的样品CIE坐标最接近白光区域（0.2961,0.3441），相关色温7254K，属冷白光范畴。虽然显色指数（Ra=57）仍有提升空间，但研究人员成功将该荧光粉与395nmUV-LED芯片封装，制备出可发射白光的原型器件。

本研究通过系统优化Eu/Dy共掺杂浓度，成功在NaCa(PO₃)₃基质中实现近白光发射，为解决WLED制造中多组分配比难题提供了新思路。研究成果表明三斜晶系磷酸盐基质在单组分白光荧光材料领域具有重要应用潜力，为开发新型照明器件奠定了材料基础。尽管在显色性和能量转移效率方面仍需进一步优化，但这项工作无疑为稀土掺杂荧光材料的设计提供了有价值的设计思路和实验依据。