Dy3+/Sm3+共掺杂La2O3荧光粉的结构调控与颜色可调性研究及其在白光LED中的应用

本研究针对传统YAG荧光粉在高质量照明中存在的红光成分不足、显色指数低等问题，通过溶液燃烧法成功制备了Dy3+/Sm3+共掺杂La2O3荧光粉。XRD证实其六方晶系结构，PL光谱显示488-654 nm多峰发射，通过能量转移机制实现颜色调控，为WLEDs提供了新型高效荧光材料解决方案。

　　

在照明技术快速发展的今天，白光LED（WLED）因其高效节能特性成为主流照明选择。然而，传统Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺（YAG）荧光粉存在红光成分不足的缺陷，导致显色指数偏低（<80）和冷白光问题（相关色温>7500 K）。更棘手的是，汞基灯具的逐步淘汰使得开发新型荧光材料迫在眉睫。镧系氧化物因其独特的4f电子跃迁特性，成为解决这一难题的关键——它们能通过精确的离子掺杂产生从紫外到红外的全光谱发射，而La₂O₃凭借400 cm^-1的低声子能量，可显著减少非辐射能量损耗，是理想的荧光基质材料。

针对这一科学问题，来自中国的科研团队创新性地采用溶液燃烧法，首次系统研究了Dy³⁺/Sm³⁺共掺杂La₂O₃体系。通过尿素燃料的氧化还原反应，他们成功制备出系列荧光粉，并运用多尺度表征技术揭示了其构效关系。该研究不仅填补了共掺杂体系的研究空白，更通过独特的"蓝移-红移"反常峰位现象，为颜色精确调控提供了新思路。相关成果发表在《Journal of Molecular Structure》上，为下一代WLED设计提供了重要理论依据。

研究团队主要采用四大关键技术：X射线衍射（XRD）分析晶体结构，扫描电镜（SEM）观测微米级形貌，傅里叶变换红外光谱（FT-IR）检测La-O键振动，以及光致发光光谱（PL）测定388 nm激发下的发射特性。特别值得注意的是，通过能量色散X射线光谱（EDX）确认了La/O化学计量比，为材料纯度提供了直接证据。

【XRD和晶体结构分析】
XRD图谱显示所有样品均呈现六方相（空间群P6₃/mmc），掺杂后出现明显的峰位偏移：当Dy³⁺/Sm³⁺浓度≤0.5 mol%时向小角度移动（晶格膨胀），而≥2.5 mol%时转向高角度（晶格收缩）。这种反常现象源于稀土离子半径与La³⁺的差异（Dy³⁺:0.0912 nm, Sm³⁺:0.0964 nm vs La³⁺:0.1032 nm），证实了固溶体的成功形成。

【SEM与EDX分析】
SEM显示样品呈不规则微米颗粒（1-5 μm），表面存在燃烧法典型的孔洞结构。EDX谱中La/O原子比接近2:3，且检测到Dy、Sm特征峰，证明掺杂离子均匀分布。FT-IR在540 cm^-1处出现的宽峰归属为La-O伸缩振动，未检测到羟基残留，表明高温退火完全。

【PL性能研究】
单掺杂体系中，Dy³⁺在484 nm（蓝）和575 nm（黄）的发射形成白光，而Sm³⁺在611 nm（橙红）的⁴G_5/2→⁶H_7/2跃迁占主导。共掺杂样品出现488 nm（Dy³⁺:⁴F_9/2→⁶H_15/2）、568 nm（Dy³⁺）、575 nm（Dy³⁺）、611 nm（Sm³⁺）和654 nm（Sm³⁺）五重发射峰，通过调节掺杂比例可实现从冷白（6500 K）到暖白（3500 K）的色温调控。

【能量转移机制】
激发光谱重叠分析表明，Dy³⁺的⁴I_15/2能级与Sm³⁺的⁴F_7/2能级存在共振能量转移（效率达42%），这是实现宽谱发射的关键。浓度猝灭实验显示最佳掺杂量为1.5 mol%，此时临界距离R_c=1.8 nm，符合Dexter理论。

这项研究通过精巧的材料设计，成功解决了WLED用荧光粉红光不足的核心难题。六方相La₂O₃基质不仅保障了结构稳定性，其低声子能量特性更使量子效率提升至68%。特别值得注意的是，发现的"双向晶格畸变"现象为理解高浓度掺杂提供了新视角。研究成果对发展无汞照明技术具有双重意义：一方面，颜色可调性（CIE坐标x=0.31-0.38, y=0.29-0.35）满足不同场景需求；另一方面，溶液燃烧法的低成本优势（比固相法节能30%）具备产业化潜力。正如通讯作者S.J. Dhoble强调的，该体系有望替代传统YAG，推动第四代照明技术的革新。