关于高度对称的Ba?Y?B?O??：Bi/Tb/Eu/Lu荧光粉的结构与光学性质研究及其在白光LED中的应用

《Journal of Alloys and Compounds》：Study on structure and optical property of highly symmetric Ba 3Y 2B 6O 15: Bi/Tb/Eu/Lu phosphor and its application in wLEDs

硼酸盐磷光体BYB:Bi3?/Tb3?/Eu3?/Lu3?通过溶胶-凝胶法合成，发现Bi3?→Tb3?→Eu3?能级传递实现冷白光发射，掺杂Lu3?替代Y3?可调控晶体场对称性，拓宽蓝光范围并增强Eu3?的激发态寿命，使红光强度提升30%以上。优化后的磷光体在150℃下保持85%发光强度，结合UV LED芯片制备的pc-wLED器件色坐标(0.361,0.358)、流明 efficacy达95.2 lm/W。

　　本研究围绕硼酸盐类荧光材料展开，特别是针对一种名为Ba?Y?B?O??（简称BYB）的新型硼酸盐磷光体。这类材料因其稳定的晶体结构、宽泛的带隙、优异的热稳定性和强大的光谱可调性而受到广泛关注，成为白色发光二极管（wLEDs）技术中的关键组成部分。为了进一步提升磷光体的性能，研究团队采用多步骤溶胶-凝胶法合成了共掺杂Bi3?、Tb3?、Eu3?和Lu3?的BYB磷光体。通过调控Bi3?、Tb3?和Eu3?之间的能量传递（ET）过程，成功实现了“冷白光”的发射效果。同时，研究团队还通过将Y3?替换为Lu3?，调整了晶体场的分裂和对称性，从而优化了磷光体的发光特性。

在研究中，BYB的晶体结构被详细描述为一种高度对称的立方结构。其晶体结构包含独立的[B?O?]??单元、不规则的[BaO?]多面体以及规则的[YO?]八面体。这些结构单元沿着[111]方向交替排列，形成三维框架结构。这种结构不仅赋予了BYB高度的对称性，还通过[B?O?]??单元之间的连接增强了整体的稳定性。其中，[YO?]八面体表现出高度对称的特性，Y?和Y?原子分别与六个氧原子配位，形成规则的八面体结构。这种高度对称的晶体场环境为掺杂离子提供了稳定的发光中心，有效抑制了非辐射跃迁，从而提高了磷光体的发光效率。此外，BYB的刚性结构使其在高温条件下仍能保持优异的发光性能，这使其在高效LED照明领域具有广泛的应用前景。

Bi3?作为一种常见的非稀土蓝色发光离子，具有6s2电子构型，其发光特性对晶体场环境极为敏感。通过调整晶体场强度，Bi3?可以在紫外到可见光范围内实现宽带发射。Bi3?在高度对称的晶体场中表现出极窄的半高宽（FWHM），通常仅在35–50 nm之间，这赋予了其在蓝光发射区域极高的色纯度和发光效率。例如，Ba?Lu?B?O??:Bi3?、Sr?Lu?Ge?O??:Bi3?、Ca?HfGe?SiO??:Bi3?、Gd?SbO?:Bi3?以及Ln?Si?O?:Bi3?等材料均表现出优异的发光性能。此外，这些材料通常具有出色的热稳定性，即使在150℃的高温下仍能保持超过75%的发光强度，优于许多商业化的蓝色磷光体，如BAM:Eu2?。这种优异的热稳定性主要归因于其高度对称的晶体场环境和紧密的多面体网络结构，有效抑制了高温下的热猝灭效应。

Tb3?和Eu3?作为绿色和红色发光中心，其发光效率相对较低，因为4f–4f跃迁通常被禁止。然而，通过Bi3?→Tb3?→Eu3?的能量传递过程，可以显著增强它们的发光强度和效率。这一过程不仅提高了整体的发光性能，还使得磷光体能够实现更广泛的光谱调制，从而产生可调的白光发射。研究发现，通过将Y3?替换为Lu3?，可以改变晶体场的对称性，进而影响Bi3?和Eu3?的发光行为。具体而言，Lu3?的引入降低了局部环境的对称性，导致Bi3?的发光波长向红光方向偏移，并且其FWHM扩大，从而拓宽了蓝光的覆盖范围。与此同时，降低的对称性也增强了Eu3?的超敏感跃迁（5D?→7F?），提高了红光发射的强度，进一步优化了白光的色域。

为了实现“冷白光”的发射，研究团队通过精确调控Bi3?、Tb3?和Eu3?之间的能量传递路径，成功获得了具有高色纯度和高发光效率的磷光体。这种磷光体不仅在蓝光区域表现出优异的发光性能，还在红光区域实现了更高的发射强度，从而在整体光谱上形成了更接近自然光的白色光。此外，优化后的磷光体在结构上更加紧密和刚性，有效减少了电子-声子耦合效应，从而提升了其化学和热稳定性。这种稳定性对于LED照明应用至关重要，因为LED器件在实际使用过程中常常需要在高温和高湿的环境中运行。

研究团队还通过实验验证了磷光体的结构和性能。实验结果显示，合成的BYB:Bi/Tb/Eu/Lu磷光体在粉末X射线衍射（XRD）图谱中与标准参考数据（ICSD-261704）高度吻合，表明其具有良好的晶体结构和相纯度。此外，磷光体的形貌和粒径分布也被详细分析，结果表明其具有较小的颗粒尺寸，这有助于提高其发光效率和均匀性。在光谱分析方面，研究团队通过调控Bi3?、Tb3?和Eu3?的掺杂比例，成功实现了白光发射的色域优化。最终，他们成功制备了一款高性能的磷光体转换白光LED（pc-wLED）器件，其色坐标为（0.361, 0.358），发光效率（LE）达到95.2 lm/W，表现出卓越的性能。

为了进一步提高白光LED的性能，研究团队还探讨了不同掺杂离子对磷光体发光特性的影响。Bi3?的引入不仅增强了蓝光的发射强度，还通过能量传递过程提高了Tb3?和Eu3?的发光效率。Tb3?和Eu3?的协同作用使得磷光体能够在较宽的光谱范围内实现高效的发光，从而满足高色渲染指数（CRI）和低色温（CCT）的照明需求。此外，Lu3?的引入不仅优化了晶体场的对称性，还增强了磷光体的热稳定性，使其在高温环境下仍能保持良好的发光性能。这些改进使得磷光体在实际应用中更加可靠和高效。

综上所述，本研究通过系统地分析BYB磷光体的结构和发光特性，揭示了Bi3?、Tb3?、Eu3?和Lu3?之间的能量传递机制，并成功制备了一款具有优异性能的磷光体转换白光LED器件。这一研究成果为开发高效、稳定的单相白光磷光体提供了理论和实验支持，同时为高质室内照明和固态照明技术的发展提供了新的解决方案。未来，研究团队将继续探索不同掺杂离子对磷光体性能的影响，以及如何通过进一步优化晶体结构和掺杂比例来提升磷光体的发光效率和稳定性。此外，他们还计划将该磷光体应用于其他类型的LED照明系统，以验证其在不同应用场景下的性能表现。