由形态差异引起的光学带隙变化对窄带绿色SrMgAl10O17:Mn2+荧光体发光特性的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：Effect of optical bandgap variation induced by morphology difference on the luminescence properties of narrow-band green SrMgAl 10O 17:Mn2+ phosphors

Mn2?激活的窄带绿光发射材料SMAO:Mn2?通过AlF?熔盐法制备，获得粒径均一、结晶度高的六方块状结构，光学带隙增大至3.30 eV，表面缺陷减少至3.96:1，量子效率提升至86.56%，色域达114% NTSC，展示优异热稳定性。

　　这项研究聚焦于一种新型的绿色荧光粉材料——SrMgAl??O??:Mn2?（简称SMAO:Mn2?），并探讨了其形态对光学性能和发光效率的影响。在现代显示技术中，尤其是液晶显示器（LCD）领域，提高色彩范围是提升显示质量的关键目标之一。目前，广泛采用的白光发光二极管（WLED）技术通过将蓝光LED芯片与绿色和红色荧光粉结合，实现更宽的色域覆盖。然而，传统绿色荧光粉如β-硅铝氧（β-Sialon:Eu2?）虽然在商业上应用广泛，但其宽发射光谱和低发光效率限制了其在高色纯度和高色彩范围显示中的应用。因此，开发具有窄带发射的绿色荧光粉成为提升显示性能的重要方向。

Mn2?激活的窄带绿色荧光粉因其优异的发光特性，在宽色域显示中展现出巨大潜力。然而，Mn2?的d-d跃迁具有自旋禁阻特性，导致其发光效率受限。本研究通过调控SMAO:Mn2?的形态，有效提升了其发光性能。实验结果表明，采用AlF?作为助熔剂合成的SMAO:Mn2?荧光粉呈现出近球形的六边形结构，相比使用H?BO?作为助熔剂合成的样品，其光学带隙更宽，表面缺陷更少。通过高分辨率X射线光电子能谱（XPS）分析，发现AlF?合成的样品具有更高的晶格氧与缺陷氧比例（5.14:1），而H?BO?合成的样品比例仅为3.96:1，这进一步验证了其表面缺陷减少的情况。这些特性有效抑制了非辐射复合过程，从而显著提高了光致发光量子产率（内部/外部量子效率分别为86.56%/31.19%）并缩短了衰减时间。

此外，该荧光粉在热稳定性方面表现优异。经过五次热循环后，其在423 K时仍能保持超过80%的初始发射强度，且半高宽（FWHM）仅从25-29 nm扩展至31 nm。这一热稳定性对于LED背光系统的长期运行至关重要。为了验证其在实际应用中的表现，研究团队还制备了一款原型白光LED，采用SMAO:Mn2?作为绿色荧光粉，K?SiF?:Mn??作为红色荧光粉，并在450 nm蓝光芯片上进行组合。结果显示，该白光LED的色域达到了114% NTSC，远超传统技术的水平，表明SMAO:Mn2?在宽色域显示中的应用前景广阔。

在传统方法中，绿色荧光粉的制备通常依赖于复杂的化学合成过程，而本研究通过引入AlF?作为助熔剂，实现了对荧光粉形态的精准控制。这种形态调控不仅改善了光学带隙，还优化了晶格结构，减少了晶格缺陷。通过对比不同助熔剂对荧光粉形态和性能的影响，研究发现AlF?合成的样品在发光效率、衰减时间以及热稳定性方面均优于H?BO?合成的样品。这表明，在制备Mn2?激活的绿色荧光粉时，助熔剂的选择对最终性能具有重要影响。

在研究过程中，团队还探讨了不同结构的绿色荧光粉材料。例如，具有UCr?C?结构的氧化物荧光粉，如RbLi(Li?SiO?)?:Eu2?，在宽色域显示中表现出优异的发光性能，其FWHM范围为41-51 nm，比β-Sialon:Eu2?的FWHM（55 nm）更窄。然而，尽管这些材料在某些方面表现突出，其低量子效率和相对较宽的FWHM仍然限制了其在高端显示产品中的应用。因此，开发具有更高量子效率和更窄发射光谱的Mn2?激活绿色荧光粉成为当前研究的重点。

为了进一步提升Mn2?激活绿色荧光粉的性能，研究团队探索了能量转移机制。通过将Eu2?或Ce3?作为共激活剂，可以有效提高Mn2?激活荧光粉的量子效率。例如，KAl?Ga?O??:Eu2?, Mn2?的FWHM为25 nm，其内部量子效率高达99%；NaAl??O??:Eu2?, Mn2?的FWHM为27 nm，内部量子效率提升至87%；RbAl??O??:Eu2?, Mn2?的FWHM为26 nm，内部量子效率达到60%。这些数据表明，通过引入共激活剂，可以显著改善Mn2?激活荧光粉的发光性能。然而，这种策略通常会导致激发波长的改变，从而影响其与商业蓝光LED芯片的兼容性。

因此，研究团队提出了一种新的思路——通过形态工程提升Mn2?激活绿色荧光粉的性能。实验结果表明，AlF?合成的SMAO:Mn2?荧光粉具有更宽的光学带隙和更低的表面缺陷，这有效抑制了非辐射复合过程，从而提高了量子效率并缩短了衰减时间。这种形态调控策略不仅适用于SMAO:Mn2?，也为其他Mn2?激活荧光粉的开发提供了参考。研究团队强调，形态工程是一种尚未被充分探索的重要手段，能够有效克服传统方法中的限制，提升材料的综合性能。

在实际应用中，SMAO:Mn2?的形态优化使其在宽色域显示中表现出色。其绿色发射峰位于515 nm，FWHM范围为25-29 nm，显示出优异的单色性。同时，该材料在高温下仍能保持较高的发光强度，表现出良好的热稳定性。这些特性使其成为宽色域LED背光系统的理想选择。此外，研究团队还指出，通过精确控制助熔剂种类，可以实现对荧光粉形态的精准调控，从而优化其光学性能。这一方法为未来荧光粉材料的开发提供了新的思路，有助于提升显示技术的整体水平。

综上所述，本研究通过形态工程显著提升了Mn2?激活绿色荧光粉的性能。采用AlF?作为助熔剂合成的SMAO:Mn2?荧光粉表现出更宽的光学带隙、更低的表面缺陷以及更高的量子效率，这为其在宽色域显示中的应用奠定了基础。同时，该材料在热稳定性方面也表现出色，能够在高温环境下保持较高的发光强度。这些发现不仅验证了形态工程在提升荧光粉性能中的有效性，也为未来的研究提供了新的方向。研究团队希望，这一成果能够推动更多高性能荧光粉材料的开发，从而满足日益增长的显示需求。