Tb3+掺杂Na2Gd2B2O7荧光体的结构调控与发光性能研究：Judd-Ofelt理论解析及碱金属协同效应

本研究针对稀土掺杂荧光体在固态照明应用中存在的直接近紫外激发效率低、热稳定性不足等问题，通过微波辅助凝胶燃烧法成功制备了Tb3+单掺杂Na2Gd2B2O7(NGBO)荧光材料。创新性地引入K+/Li+共掺杂策略，结合Judd-Ofelt理论分析，实现了542 nm处绿色发射强度提升、负热猝灭效应(500 K)及1.27 ms长寿命等优异性能，为无敏化剂型高效荧光体的设计提供了新思路。

　　

在固态照明技术飞速发展的今天，高性能荧光材料的开发成为制约LED器件进步的关键瓶颈。传统Tb³⁺激活荧光体如YBO₃:Tb³⁺和LaPO₄:Tb³⁺虽具有特征绿色发射，但面临4f-4f跃迁宇称禁阻导致的近紫外吸收效率低、热稳定性不足等挑战。更棘手的是，现有体系多依赖Ce³⁺等敏化剂传递能量，不仅增加组分复杂性，还可能引发长期紫外辐照下的性能衰减。如何开发兼具高量子效率、优异热稳定性和简化组分的新型荧光体，成为该领域亟待突破的科学难题。

Bal?kesir University的研究团队在《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》发表的最新研究，创新性地选择Na₂Gd₂B₂O₇(NGBO)这一硼酸盐基质，通过微波辅助凝胶燃烧法成功制备了Tb³⁺单掺杂荧光材料。研究摒弃传统敏化剂策略，系统考察碱金属离子(K⁺, Li⁺)共掺杂对晶体场环境的调控作用，并首次在该体系应用Judd-Ofelt理论解析局域对称性变化，为稀土荧光体的理性设计提供了重要范式。

研究采用X射线衍射(XRD)确认单斜相结构，结合傅里叶变换红外光谱(FTIR)和拉曼光谱分析[BO₃]/[BO₄]基团振动模式。通过变温光致发光(PL)谱和时间分辨光谱系统表征发光性能，并基于J-O理论计算强度参数Ω_λ。实验选用NaNO₃、Gd₂O₃和H₃BO₃为原料，采用硝酸溶解确保前驱体均匀性，微波加热促进反应动力学。

【XRD和Rietveld分析】显示所有样品均保持单斜结构(P2₁/c空间群)，Tb³⁺掺杂引起晶格收缩，而K⁺/Li⁺共掺杂导致晶面间距差异膨胀。Rietveld精修证实Tb³⁺优先占据Gd³⁺位点，碱金属离子则进入Na⁺位点。

【发光性能】研究表明，2 wt% Tb³⁺掺杂样品在377 nm激发下呈现542 nm(⁵D₄→⁷F₅)最强绿色发射。J-O分析获得Ω₄=0.41×10^-20 cm²和Ω₆=0.64×10^-20 cm²，表明Tb³⁺处于低对称性环境。特别值得注意的是材料表现负热猝灭效应，500 K时发光强度仍保持初始值的112%，这归因于热释放陷阱载流子的补偿作用。

【碱金属共掺杂效应】K⁺共掺杂使发光寿命延长至1.27 ms，CIE坐标可调至(0.3110,0.4508)；而Li⁺掺杂则通过抑制非辐射跃迁提升量子效率。两者协同作用使色坐标逼近白光区域，展现出在单基质白光LED中的应用潜力。

该研究首次在NGBO:Tb³⁺体系中实现无需敏化剂的直接高效激发，通过碱金属离子微环境调控解决了稀土荧光体热稳定性与效率难以兼得的矛盾。提出的J-O参数定量分析方法为稀土发光中心局域对称性评估建立了新标准，而发现的负热猝灭现象为开发高温稳定荧光材料提供了新思路。这些突破不仅推动了固态照明技术的发展，其揭示的晶格工程策略对光学传感、防伪标记等交叉领域也具有重要借鉴价值。