Eu3+掺杂对燃烧法制备 Y3Al5O12荧光粉性能的优化及意义

为解决传统合成 Y3Al5O12:Eu3+荧光粉方法的不足，研究人员开展了其结构、形貌和发光性能的研究。结果表明适量掺杂可增强发光，过量则会浓度猝灭。该研究为荧光粉应用提供理论依据。

　　在科技飞速发展的今天，荧光材料广泛应用于显示、照明等众多领域，如同夜空中的璀璨星辰，为我们的生活带来诸多便利与精彩。钇铝石榴石（Y₃Al₅O₁₂，YAG）凭借其出色的物理和光学特性，成为备受瞩目的无机化合物，在从传统结构陶瓷到先进光子器件的广阔领域都有它的身影。而稀土掺杂的 YAG，更是因其卓越的机械强度、高导热性、高抗辐射性和耐高温性，在发光领域展现出巨大潜力。其中，YAG:Eu³⁺荧光粉能发出明亮的红光，在显示技术和照明领域极具应用前景。

然而，传统的 YAG:Eu³⁺荧光粉合成方法 —— 固态反应法，却存在诸多 “绊脚石”。它需要高达约 1600°C 的高温，这不仅消耗大量能源，而且在控制产物的相纯度、均匀形貌和尺寸方面困难重重，就像在崎岖山路上负重前行，举步维艰。为了突破这些困境，科研人员开始探寻新的合成路径，溶液化学方法应运而生，如溶胶 - 凝胶法、前驱体分解法、共沉淀法和溶液燃烧法等。这些方法操作简便、反应温度低、成本低廉，还能更好地控制样品形貌和相纯度，仿佛为荧光粉的合成开辟了一条新的 “绿色通道”。而在这些方法中，溶液燃烧法脱颖而出，它具有反应迅速、能耗低、产物纯度高等优势，有望成为大规模工业生产的理想选择。

在此背景下，沃尔特?西苏鲁大学（Walter Sisulu University）的研究人员 Fikadu Takele Geldasa、Habtamu Fekadu Etefa 和 Francis Birhanu Dejene 开展了一项关于 “Eu³⁺掺杂对燃烧法制备 Y₃Al₅O₁₂荧光粉结构、形貌和发光性能影响” 的研究。他们的研究成果发表在《Journal of Fluorescence》上，为荧光粉的研究与应用提供了重要的理论依据和实践指导。

研究人员在本次研究中，主要运用了以下几种关键技术方法：首先是 X 射线衍射（XRD）技术，用于测定样品的晶体结构特性，帮助判断荧光粉是否成功结晶以及晶体结构是否符合预期；其次是扫描电子显微镜（SEM），通过它可以直观地观察到合成材料的微观形貌，了解颗粒的聚集状态和表面特征；傅里叶变换红外光谱（FTIR）则用于识别荧光粉中存在的化学键类型，分析材料的化学组成；光致发光光谱（PL）技术能够获取样品的激发和发射光谱，研究其发光性能和能量转移机制；能量色散光谱（EDS）用于分析样品的元素组成，确定各元素是否按预期存在于荧光粉中。

下面来看具体的研究结果：

• X 射线衍射分析：通过 XRD 分析不同 Eu³⁺浓度掺杂的 Y₃Al₅O₁₂荧光粉，发现其衍射峰与标准立方石榴石 JCPDS 09 - 0310 基本吻合，但也存在一些杂质峰，源于燃烧合成过程中产生的其他相，如 Al₂Y₄O₉和 YAlO₃。随着 Eu³⁺浓度增加，（420）晶面的主峰强度逐渐降低，表明 Y₃Al₅O₁₂荧光粉的结晶度下降。当 Eu³⁺掺杂量达到 1.2% 时，除（420）晶面外几乎无其他衍射峰，说明此时荧光粉趋近于非晶态。这是因为高浓度的 Eu³⁺离子在晶格中替代 Y³⁺离子，导致晶格局部畸变，破坏了晶体生长的有序性；同时，燃烧合成过程中，高浓度 Eu³⁺使放热反应更剧烈，快速冷却也阻碍了晶体的正常形成。
• SEM 分析：从 SEM 图像可以看出，合成的荧光粉呈现团聚结构，单个颗粒倾向于聚集形成更大的聚集体。此外，还能观察到在孔隙周围存在许多小颗粒，这些孔隙是燃烧过程中高压气体逸出留下的，小颗粒可能是气化物质冷凝或颗粒向低压区域迁移形成的。这种团聚和孔隙结构对荧光粉的物理性质有重要影响，进而影响其在发光和发光器件中的性能。
• FTIR 分析：FTIR 光谱显示，Y₃Al₅O₁₂:Eu³⁺荧光粉存在多个特征吸收峰，如 3439 cm^-1和 3481 cm^-1处的 O - H 键吸收峰、1648 cm^-1和 1635 cm^-1处的 H₂O 振动峰、1384 cm^-1和 1356 cm^-1处的 NO₃^-基团吸收峰等。在 300 - 1000 cm^-1范围内的峰与金属 - 氧的伸缩和弯曲振动有关，662 cm^-1处的峰对应 Al - O 振动，439 cm^-1和 398 cm^-1处的峰对应 Y - O 振动，这些金属 - 氧吸收峰证实了 YAG 相的形成。
• EDS 分析：EDS 分析结果表明，Y₃Al₅O₁₂:Eu³⁺荧光粉中存在预期的 Y、Al、O、Eu 元素，样品中 Y₃Al₅O₁₂:Eu³⁺的存在得到确认，其中 C 峰来自样品制备时使用的碳胶带。
• 光致发光分析：
  • 激发光谱：Y₃Al₅O₁₂:Eu³⁺荧光粉的激发光谱在短紫外区域有一个宽峰，对应于 Eu³⁺离子与晶格中 O^{2 -}离子之间的电荷转移带，这是激发 Eu³⁺的重要途径。在较长波长区域，存在多个对应于 Eu³⁺ 4f⁶电子构型内 f - f 跃迁的峰，其中最强的激发峰位于 395 nm 处，对应于⁷F₀-⁵L₆跃迁，表明该荧光粉在 395 nm 波长激发下效率最高。
  • 发射光谱：发射光谱主要位于红色区域，出现三个明显的发射峰，分别位于 592 nm、615 nm 和 627 nm 处。592 nm 处的峰对应于⁵D₀→⁷F₁跃迁，是磁偶极跃迁，产生红橙色发射；615 nm 处的峰对应于⁵D₀→⁷F₂跃迁，为电偶极跃迁，是 Eu³⁺激活荧光粉中最强的发射峰，呈现出特征红色；627 nm 处的峰对应于⁵D₀→⁷F₃跃迁，发射波长稍长，强度相对较弱，但也对整体红色发射有贡献。随着 Eu³⁺浓度从 0.4 mol% 增加到 0.8 mol%，发射强度显著增强，这是因为更多的 Eu³⁺离子增强了与基质材料的相互作用，使能量转移更高效；然而，当 Eu³⁺浓度进一步增加到 1.2 mol% 时，由于浓度猝灭效应，发射强度下降。高浓度下，Eu³⁺离子间距减小，相邻离子间的非辐射能量转移增强，降低了整体发光强度。
  • 衰减曲线：Y₃Al₅O₁₂:Eu³⁺荧光粉的衰减曲线呈现出先快速下降后缓慢下降的特征，这是具有快、慢衰减成分的荧光粉的典型表现。在较低 Eu³⁺浓度（0.4 mol% 和 0.8 mol%）下，衰减曲线强度增加，表明发光性能增强；而在 1.2 mol% 高浓度时，由于浓度猝灭，磷光强度显著降低，说明荧光粉的亮度性能变差。
  
  

综上所述，研究人员成功利用溶液燃烧法合成了红色发光的 Y₃Al₅O₁₂:Eu³⁺荧光粉。通过多种表征技术，深入研究了 Eu³⁺掺杂对其结构、形貌和发光性能的影响。研究发现，适量的 Eu³⁺掺杂（0.8%）可以显著提高荧光粉的发光强度，但过高的掺杂浓度（1.2%）会导致浓度猝灭，使发光强度降低。这一研究结果对于优化 Y₃Al₅O₁₂:Eu³⁺荧光粉的制备工艺、提高其发光性能具有重要意义，为该荧光粉在照明、显示等领域的实际应用提供了坚实的理论基础和技术支持，有望推动相关领域的进一步发展。