新型硅酸盐基荧光粉：用于红光与白光发射器件的潜力之选

为解决固态照明（SSL）中白色发光二极管（WLEDs）存在的问题，研究人员开展了对 Ba3CdSi2O8:RE（RE: Ce3+，Eu3+，and Dy3+）荧光粉的合成与表征研究。结果表明该荧光粉有宽且可调的激发和发射光谱，在光电子和照明应用中潜力大。

　　在当今照明领域，固态照明（SSL）凭借节能、环保的优势，成为了全球照明技术发展的焦点。白色发光二极管（WLEDs）作为 SSL 的核心组件，以其低能耗、长寿命和环保等特点，被视为通用照明的理想光源。然而，WLEDs 的发展并非一帆风顺。目前，缺乏能在恶劣环境（如高温、强电离辐射）下长期稳定工作的高功率白色 LED，这严重限制了 LED 照明产品在一些特殊领域的应用。同时，商用白色 LED 中，由蓝色 InGaN LED 与含荧光粉（通常为 YAG:Ce³⁺）的环氧树脂组合产生的白光，存在发光效率和重复性有待提高的问题。为了解决这些问题，来自土耳其多所大学（加济安泰普大学、布尔杜尔?梅赫梅特?阿基夫?埃尔索伊大学、哈杰泰佩大学、卡拉曼诺格鲁?梅赫梅特贝伊大学）的研究人员展开了深入研究。他们致力于开发新型荧光粉材料，期望通过优化荧光粉的性能，提升 WLEDs 的发光质量和稳定性，进而推动固态照明技术的发展。

在这项研究中，研究人员聚焦于 Ba₃CdSi₂O₈:RE（RE: Ce³⁺，Eu³⁺，and Dy³⁺）荧光粉的合成与表征，相关成果发表在《Journal of Fluorescence》上。

研究人员采用固态反应法合成了 Ba₃CdSi₂O₈:RE 荧光粉。在合成过程中，将 BaCO₃、SiO₂、Cd(CH₃COO)₂·2H₂O 等原料按一定比例混合，经研磨后在高温下分阶段煅烧。为了深入了解荧光粉的结构、形貌和光学性能，研究人员运用了多种关键技术方法。利用 X 射线粉末衍射仪（XRD）对荧光粉的晶体结构进行分析，通过傅里叶变换红外光谱仪（FT - IR）研究其化学键和官能团特征，借助扫描电子显微镜（SEM）观察荧光粉的微观形貌，使用荧光分光光度计测量其激发和发射光谱。

研究结果如下：

• 结构表征：XRD 分析显示，Ba₃CdSi₂O₈荧光粉的衍射峰与 Ba₃Cd(SiO₄)₂主体材料（PDF Card number: 00 - 028 - 0128）的峰相匹配，未观察到杂质峰，表明成功制备了目标荧光粉。其晶体结构属于六方晶系，空间群为 P - 3m1 (164)，晶胞参数 a = 5.727 ?，c = 7.344 ?，γ = 120°，Z = 1，V = 208.60 ?³。根据 Scherrer 公式计算，平均晶粒尺寸约为 80nm。FT - IR 光谱中，1000 - 1100 cm^-1区域的强吸收带为 Si - O - Si 不对称伸缩振动，是硅酸盐骨架的特征峰；500 - 600 cm^-1的峰可能与 Si - O 弯曲振动或 Si - O - M（M = 金属离子）相互作用有关。掺杂 RE 离子后，光谱的细微变化表明离子掺杂对硅酸盐结构影响较小。
• SEM 分析：SEM 图像显示，Ba₃CdSi₂O₈:Ce³⁺、Ba₃CdSi₂O₈:Dy³⁺和 Ba₃CdSi₂O₈:Eu³⁺颗粒主要分布在微米尺寸范围内，颗粒分布不均匀，形状不规则，表面粗糙，这与传统固相反应合成的荧光粉形态特征相符。
• 光致发光（PL）研究：
  • Ba₃CdSi₂O₈:Ce³⁺：监测 594nm 发射得到的激发光谱显示，2.0mol% Ce³⁺掺杂的荧光粉在 250 - 425nm 有强宽激发带，最大值在 347nm，源于 Ce³⁺的 4f - 5d 跃迁。随着 Ce³⁺掺杂量增加，激发波长蓝移。发射光谱在 575 - 700nm 有宽发射带，最大值约 594nm，对应 Ce³⁺的 5d - 4f 跃迁。2% Ce³⁺掺杂时发光强度最高，超过 2% 会出现浓度猝灭现象。
  • Ba₃CdSi₂O₈:Dy³⁺：监测 579nm 发射的激发光谱显示，有 250nm（CTB）、352nm（⁶H_15/2→⁶P_7/2）、389nm（⁶H_15/2→⁴F_7/2）和 453nm（⁶H_15/2→⁴I_15/2）四个宽激发带，适合被蓝色激光二极管或 UV / 近 UV 激发。发射光谱在蓝（450 - 510nm）、黄（550 - 600nm）、红（640 - 700nm）和深红（740 - 770nm）区域有四个发射带，分别对应 Dy³⁺离子的⁴F_9/2→⁶H_15/2、⁴F_9/2→⁶H_13/2、⁴F_9/2→⁶H_11/2和⁴F_9/2→⁶H_9/2跃迁。4% Dy³⁺掺杂时发光强度最大，超过 4% 会因浓度猝灭而降低。
  • Ba₃CdSi₂O₈:Eu³⁺：激发光谱在 200 - 500nm 有多个激发带，200 - 300nm 的强宽带最大值在～230nm，源于 O^{2 -}离子的 2p 轨道到 Eu³⁺离子 4f 轨道的电荷转移（CTB）；380nm 和 460nm 的激发带分别对应 Eu³⁺离子的⁷F₀→⁵G₂和⁷F₀→⁵D₂跃迁。发射光谱在 586nm、613nm、653nm 和 700nm 有发射峰，分别对应 Eu³⁺离子的⁵D₀→⁷F₀、⁵D₀→⁷F₂、⁵D₀→⁷F₃和⁵D₀→⁷F₄跃迁。6.0mol% Eu³⁺掺杂时 PL 强度最高。
  
  
• CIE 色坐标分析：通过计算 CIE 色坐标和相关色温（CCT），研究人员发现 Eu³⁺掺杂使荧光粉发射光偏向红色区域；Dy³⁺掺杂的荧光粉数据点靠近色度图中心，处于更中性或发白光区域；Ce³⁺掺杂的荧光粉位于橙色区域，倾向红色但程度不如 Eu³⁺掺杂。

研究结论表明，Ba₃CdSi₂O₈:RE 荧光粉具有宽且可调的激发和发射光谱，是多种光电子和照明应用的优秀候选材料。其中，Ce³⁺和 Eu³⁺掺杂的荧光粉主要发射红光，适合用于红光器件；Dy³⁺掺杂的荧光粉发射白光，在白色发光器件中具有应用潜力。不同稀土离子的最佳掺杂浓度不同（Ce³⁺为 2.0mol%，Dy³⁺为 4.0mol%，Eu³⁺为 6.0mol%），这为根据实际应用需求精确调控荧光粉性能提供了依据。该研究为新型荧光粉材料的开发和固态照明技术的发展提供了重要参考，有助于推动相关领域的技术进步，满足不同场景下对高质量发光材料的需求。