ZrO?基复合薄膜的简易制备及其对OLED效率与颜色稳定性的影响

《Journal of Magnesium and Alloys》：Facile Preparation of ZrO 2-Based Composite Films and Their Impact on OLED Efficiency and Color Stability

制备了Ce3+掺杂Na-β″-Al?O?荧光粉，通过固相法研究其晶体结构、微观形貌、光学性能及热稳定性。结果显示Ce3+取代Al3+位，发出优质蓝光，热稳定性分析显示在573K时发光强度保持71.55%，并与330nm n-UV LED芯片封装获得高色品质蓝光器件，色指数81.60，色温2886K。

　　在现代科技快速发展的背景下，发光材料因其独特的光学特性在多个领域展现出巨大的应用潜力。从LED照明到光学传感，再到生物成像和防伪技术，发光材料的应用范围不断扩大。尤其是随着LED技术的普及，对发光材料的性能要求也在不断提高，推动了新型高性能磷光体的研发。蓝光发光材料因其在医疗照明、智能显示等特殊领域的广泛应用，成为当前科学研究的重点。因此，开发具有高发光效率和优良色纯度的蓝光发射材料具有重要的现实意义。

发光材料的核心在于其基质结构，它为稀土离子提供了一个稳定的晶体环境，使得在激发下能够有效发射光子。基质材料的晶体结构、电子特性和稳定性直接影响到发光材料的发光效率。在众多基质材料中，氧化铝（Al?O?）因其高熔点、良好的化学稳定性和高硬度而备受关注。它存在多种晶体形式，每种形式都有其独特的结构和性能，这使其在固态电池等众多领域得到了广泛应用。作为氧化铝家族中的重要成员，Na-β″-Al?O?因其独特的晶体结构和离子传导通道，成为一种理想的磷光体基质材料。其晶体结构中，Al原子位于由氧阴离子紧密堆积形成的正四面体和正八面体的中心，类似于尖晶石（MgAl?O?）结构，因此被称为尖晶石型基质。相邻的尖晶石块通过钠-氧导电层相互连接。当掺杂离子被引入尖晶石基质时，它们可以取代Al3?或Na?的位置，从而实现光学特性的调控，拓展其在荧光显示、光学防伪和光电转换等领域的应用。

近年来，稀土离子掺杂已成为调控荧光材料光学行为的重要策略。其中，铈（Ce3?）离子因其独特的电子结构和4f-5d轨道之间的适中能量差，在吸收和发射光子的过程中表现出优异的光谱特性。例如，Ce3?离子具有宽的激发光谱范围、高的光学吸收效率和合适的发射波长，这些特性使其成为多种荧光材料中常用的激活离子。在当前的研究中，有学者通过高温固态法合成了Ce3?掺杂的Lu?CaMg?Si?O??橙光发射的石榴石型磷光体，并通过减少钙含量和引入钙空位进一步优化了其性能，为白光LED（WLED）的应用提供了潜在可能性。另一研究团队则制备了Ce3?掺杂的Ca?Sc?Si?O??光电转换材料，其中Ce3?的多中心结构显著增强了红光发射带，并提升了整体的发光性能。

基于上述研究，可以得出结论：将Ce3?离子掺杂到Na-β″-Al?O?基质材料中，可以有效结合两者的优势，开发出具有定制光学特性的磷光体，以满足不同应用场景下的性能需求。然而，目前对于Na-β″-Al?O?:Ce3?磷光体的系统研究仍较为有限，尤其是在制备工艺、影响光学性能的关键因素以及实际应用潜力等方面，仍需进一步探索。因此，本研究旨在通过高温固态法合成一系列Na-β″-Al?O?:Ce3?磷光体，并对它们的光学性能进行全面分析。目标是揭示掺杂浓度、晶体结构与发光性能之间的内在关系，为该新型磷光体在先进光电子领域的应用提供坚实的理论和实验基础。

在本研究中，我们选择了CeO?、Na?CO?和γ-AlOOH作为主要原料，按照0.5x: (1-0.5x): 6.5的摩尔比例进行混合，其中x代表Ce3?的掺杂浓度（x=0, 0.03, 0.04, 0.05, 0.06, 0.07, 0.08）。混合过程在研钵中进行了40分钟，以确保材料的均匀分布。随后，混合物被高温煅烧，以促进反应并形成所需的磷光体结构。这一制备方法不仅操作简便，而且能够在较大范围内调控掺杂浓度，从而对最终产品的光学性能产生显著影响。

为了验证所制备磷光体的相组成和结构，我们进行了X射线衍射（XRD）分析。如图1(a)所示，Na-β″-Al?O?:xCe3?磷光体的XRD图谱与纯Na-β″-Al?O?的标准卡片数据（JCPDS 19-1173）一致。所有图谱中均未出现杂质峰，且峰形尖锐，表明样品具有较高的结晶度，且其晶体结构未受到Ce3?掺杂的影响。此外，随着Ce3?掺杂浓度的增加，样品的晶格结构发生了微妙的变化，但整体仍保持稳定。这种结构的稳定性对于磷光体在实际应用中的长期性能至关重要。

除了XRD分析，我们还对样品的微观形貌进行了研究。通过扫描电子显微镜（SEM）观察，可以发现所有样品均呈现出均匀的四边形薄片结构，且表面光滑，无明显裂纹或孔洞。这种均匀的微观形貌不仅有助于提高材料的光学性能，还增强了其在实际应用中的机械强度和热稳定性。此外，通过热重分析（TGA）和差示扫描量热分析（DSC）进一步评估了磷光体的热稳定性。结果表明，在高温条件下，样品的发光强度保持稳定，尤其在573K时，其发光强度仍能保持71.55%的水平，与室温下的发光强度相比仅略有下降。这说明该磷光体在高温环境下具有良好的热稳定性，能够满足在高温工作条件下对发光材料的要求。

在光学性能方面，我们重点研究了磷光体的发光特性。通过紫外-可见光谱（UV-Vis）和荧光光谱（PL）分析，发现Ce3?掺杂的Na-β″-Al?O?磷光体在紫外光激发下表现出显著的蓝光发射。其中，当Ce3?掺杂浓度为0.05时，磷光体的发光强度达到最佳水平。此外，该磷光体的色温较低（2886 K），色渲染指数（CRI）较高（81.60），这表明其在实际应用中能够提供更自然、更接近白光的照明效果。这种特性使其在固态蓝光照明领域具有广阔的应用前景，尤其是在需要高色纯度和良好色一致性的场合。

为了进一步验证该磷光体在实际应用中的可行性，我们将其与330 nm的n-UV LED芯片结合，制备了高质量的蓝光LED器件。实验结果显示，该磷光体在LED器件中的发光性能得到了有效提升，不仅实现了高效的蓝光发射，还保持了良好的色一致性和稳定性。这表明，Ce3?掺杂的Na-β″-Al?O?磷光体在蓝光LED器件中的应用具有实际价值，有望在未来的照明技术中发挥重要作用。

本研究还探讨了Ce3?掺杂浓度对磷光体性能的影响。在有限的掺杂浓度范围内，Ce3?的掺杂并未导致明显的杂质峰出现，且其主要占据Na?的位置。随着Ce3?掺杂浓度的增加，磷光体的发光强度逐渐提高，但过高的掺杂浓度可能会引起晶格畸变或缺陷增多，从而影响其发光性能。因此，需要在优化掺杂浓度的同时，确保材料的结构稳定性和光学性能。此外，我们还发现，Ce3?的掺杂对磷光体的晶体结构和微观形貌产生了一定的影响，但这种影响在合理范围内，不会显著降低其整体性能。

综上所述，本研究成功制备了一系列Ce3?掺杂的Na-β″-Al?O?磷光体，并对其晶体结构、微观形貌、光学性能和热稳定性进行了系统分析。结果表明，这些磷光体具有良好的结晶度和均匀的微观结构，能够有效发射蓝光，并在高温环境下保持较高的发光强度。其低色温、高色渲染指数和优良的色一致性，使其在固态蓝光照明领域展现出广阔的应用前景。本研究不仅为Ce3?掺杂的Na-β″-Al?O?磷光体的制备提供了新的思路，也为该材料在先进光电子领域的应用奠定了坚实的理论和实验基础。未来，随着对磷光体性能的进一步优化和实际应用的拓展，Ce3?掺杂的Na-β″-Al?O?材料有望在更多领域发挥重要作用，为照明技术、光学显示和光电转换等领域带来新的突破。