电荷补偿剂(Na+ 、Mg2+ 、Bi3+ )对ZnAl2 O4 :Sm3+ 橙红色纳米荧光粉发光性能的调控机制研究

本研究针对稀土掺杂荧光粉电荷失衡导致的发光效率下降问题，通过硝酸盐-柠檬酸盐溶液燃烧法合成ZnAl2 O4 :Sm3+ 纳米荧光粉，系统探究了不同价态电荷补偿剂(Na+ 、Mg2+ 、Bi3+ )对材料结构与发光性能的影响。研究发现5mol% Sm3+ 掺杂浓度下PL强度达到峰值，Mg2+ 共掺杂使CIE坐标(0.642,0.324)最接近理想橙红光(0.670,0.333)，衰减时间缩短至0.057ms。该工作为开发高效橙红色LED荧光材料提供了新思路。

　　

在固态照明和显示技术领域，开发高效稳定的荧光材料始终是研究热点。锌铝尖晶石(ZnAl₂
O₄
)因其优异的化学稳定性和宽带隙特性(3.8eV)，成为稀土离子掺杂的理想基质材料。然而，三价Sm³⁺
取代二价Zn²⁺
位点时产生的电荷失衡问题，会导致晶格缺陷和非辐射跃迁增加，严重制约材料发光效率。尽管已有研究通过Li⁺
等单价离子进行电荷补偿，但不同价态补偿剂对Sm³⁺
发光性能的系统研究仍属空白。

针对这一科学问题，研究人员采用硝酸盐-柠檬酸盐溶液燃烧法，通过精确控制煅烧温度(900°C/4h)成功制备了系列ZnAl₂
O₄
基纳米荧光粉。研究结合PXRD、FESEM、HRTEM等表征手段，系统分析了材料的结构特性；通过UV-Vis DRS测定带隙变化；采用PL光谱和寿命测试评估发光性能；并创新性地引入Na⁺
、Mg²⁺
、Bi³⁺
三种不同价态离子研究电荷补偿效应。

3.1 结构分析
PXRD显示所有样品均形成立方相尖晶石结构(Fd-3m空间群)。Sm³⁺
掺杂使(311)晶面衍射峰向低角度偏移，表明Sm³⁺
(0.96?)成功取代Zn²⁺
(0.74?)位点。Rietveld精修证实晶胞参数随掺杂浓度增加呈规律性变化，900°C煅烧样品结晶度最佳。

3.2 形貌表征
FESEM和HRTEM显示样品呈15-32nm球形颗粒，Mg²⁺
共掺杂样品晶格条纹间距0.286nm，对应尖晶石(220)晶面。XPS证实Sm 3d_5/2
(1083.09eV)和3d_3/2
(1109.94eV)特征峰的存在，验证Sm³⁺
的成功掺杂。

3.6 光学性能
UV-Vis DRS显示Sm³⁺
掺杂使带隙从4.0eV降至3.96eV。在274nm和404nm激发下，材料呈现特征发射峰：563nm(⁴
G_5/2
→⁶
H_5/2
)、601nm(⁴
G_5/2
→⁶
H_{7/sub>)、646nm(⁴
G5/2
→⁶
H9/2
)和703nm(⁴
G5/2
→⁶
H11/2
)。}

3.7.1 电荷补偿效应
引入Mg²⁺
使PL强度提升最显著，因其离子半径(0.72?)与Zn²⁺
最接近，有效降低晶格畸变。电荷补偿机制遵循：2V_Zn
" + Sm³⁺

• Mg²⁺
  → Sm_Zn
• Mg_Zn
  '，其中V_Zn
  "代表锌空位。

3.7.3 衰减特性
寿命测试显示Mg²⁺
共掺杂使平均衰减时间从0.98ms缩短至0.057ms，有利于快速响应器件应用。

这项研究首次系统揭示了不同价态电荷补偿剂对ZnAl₂
O₄
:Sm³⁺
发光性能的调控规律：Mg²⁺
通过优化局部晶体场对称性，使材料CIE坐标(0.642,0.324)和色纯度(79.62%)最接近理想橙红光。特别值得注意的是，研究发现了900°C是材料发光颜色从橙红向近红外转变的临界温度，这一发现为精准控制荧光材料发光特性提供了重要参考。工作发表在《Nano Trends》的成果不仅解决了稀土掺杂荧光粉的电荷失衡难题，更为设计高性能LED用荧光材料提供了新策略。