CuO掺杂MgZn2 (PO4 )2 纳米粉体的结构、光学及发光性能研究及其在固态光学器件中的应用

本研究通过高温固相反应法制备了CuO掺杂MgZn2 (PO4 )2 (MZP)纳米粉体，利用XRD、FE-SEM、FT-IR、DRS和PL等技术系统分析了其单斜晶系结构、簇状泡沫形貌及3.00–3.16 eV的直接带隙特性。样品在447 nm激发下产生381 nm蓝白光发射，CIE色坐标(0.2279, 0.3365)显示其在固态照明器件中的应用潜力，为开发新型光功能材料提供了实验基础。

　　

在光电材料领域，开发高效稳定的发光材料是实现下一代固态照明技术的关键挑战。磷酸盐基材料因其优异的化学稳定性、低合成温度和长余辉特性备受关注，而过渡金属掺杂可有效调控其光学性能。当前，传统荧光材料存在效率低、热稳定性差等问题，亟需开发新型纳米发光体系。镁锌磷酸盐(MgZn₂
(PO₄
)₂
, MZP)作为重要基质材料，通过Cu²⁺
掺杂可引入3d电子跃迁，但其纳米尺度下的结构-性能关系尚未明确。

为攻克这一难题，研究人员采用高温固相反应法成功制备了0.3-0.9 mol% CuO掺杂MZP纳米粉体。通过X射线衍射(XRD)确认其单斜晶系结构(P2₁
/n空间群)，场发射扫描电镜(FE-SEM)揭示簇状泡沫形貌，结合傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析磷酸根基团振动模式。光学性能通过漫反射光谱(DRS)和光致发光光谱(PL)表征，并采用CIE色度系统评估发光品质。

3.1 XRD技术
Scherrer公式计算显示0.9 mol%样品晶粒尺寸最小(30 nm)， Williamson-Hall法测得微观应变达66×10^-4
。衍射峰与JCPDS 00-031-1468标准卡匹配，证实Cu²⁺
(0.73 ?)成功取代Zn²⁺
(0.74 ?)晶格位点。

3.2 形貌分析技术
FE-SEM图像显示不规则簇状结构，平均粒径81.38 nm（0.3 mol%）。EDS能谱确认Zn/Mg/P/O/Cu元素分布，原子百分比验证掺杂有效性。

3.3 FTIR技术
在400-4000 cm^-1
范围内检测到PO₄
^3-
不对称伸缩振动(1080 cm^-1
)和弯曲振动(550 cm^-1
)，3446 cm^-1
处羟基特征峰表明表面吸附水分子。

3.4 DRS方法
Kubelka-Munk函数计算显示带隙随掺杂量增加从3.16 eV(0.3 mol%)降至3.00 eV(0.9 mol%)，紫外区吸收边表明其适合光电器件应用。

3.5 光致发光分析
447 nm激发下产生381 nm蓝光发射，源于Cu²⁺
的3d⁸
→3d⁹
电子跃迁。CIE色坐标(0.2281, 0.3366)位于蓝白区，色纯度35.3%，相关色温达12097 K。

结论与意义
该研究首次系统阐明了CuO-MZP纳米体系的构效关系：单斜相结构提供稳定晶体场，纳米尺寸效应增强表面缺陷发光，Cu²⁺
掺杂有效调控能带结构。所制备材料兼具宽禁带特性和蓝白光发射能力，其高色温(>12000 K)特性特别适合冷白光LED应用。相比传统Eu³⁺
掺杂磷酸盐（色温2825 K），该体系突破了高温发光材料的设计局限，为开发无稀土固态照明器件提供了新思路。未来通过优化Zn²⁺
/Cu²⁺
比例，可进一步调控发光效率以满足实际应用需求。