Tb3+摻雜釩磷酸鹽藍(lán)綠發(fā)光調(diào)控及發(fā)光機(jī)理研究
鑭系(Ln3+ )稀土發(fā)光材料具備優(yōu)異的光物理特性,在照明、顯示、安全防偽、輻射探測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。Tb3+在VUV/ UV 光激發(fā)下可產(chǎn)生藍(lán)、綠光，選擇合適的基質(zhì)并調(diào)節(jié)摻雜Tb3+ 濃度,有望在同一材料體系中實(shí)現(xiàn)從藍(lán)光到綠光的系列調(diào)控。Tb3+發(fā)光調(diào)控對(duì)開發(fā)面向白光LED 的照明材料及光學(xué)防偽材料均有一定研究意義。
天津城建大學(xué)張守超副教授及其團(tuán)隊(duì)選擇YVO4 與YPO4 作為基質(zhì),研究Tb3+ 在釩磷酸鹽體系中的發(fā)光規(guī)律及基質(zhì)組分對(duì)發(fā)光性能影響,可以深入理解此類發(fā)光材料的發(fā)光機(jī)制和性能優(yōu)化途徑,改善發(fā)光材料性能,從而更好地滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。
結(jié)果與討論
物相分析
作者采用熱重-差示掃描量熱法分析YVO4 與YPO4及按化學(xué)計(jì)量配比混合物高溫固相反應(yīng)溫度（圖1），結(jié)果表明665℃應(yīng)Tb3+取代Y3+起始反應(yīng), 高于1087℃質(zhì)量趨于穩(wěn)定。利用XBD圖譜表征熒光粉物相結(jié)構(gòu)（圖2）.采用掃描電子顯微鏡（SEM）分析不同產(chǎn)物的形貌 (圖3)，相較于YVO4 與YPO4基質(zhì),YV1-xPxO4結(jié)晶形貌一致,四方晶系特征顯著,表明YVO4、YPO4二者具有良好的高溫互溶性。
圖1 YVO4 與YPO4 (a)、YVO4∶Tb3+(b)、YPO4∶Tb3+ (c)及YV0.5P0.5O4∶Tb3+(d)的TG-DSC 曲線
圖2 樣品的XRD 圖譜。(a) YVO4∶Tb3+ ;(b) YVO4∶Tb3+;(c)YV1-xPxO4∶Tb3+;(d) YV1-xPxO4∶Tb3+ (200)晶面衍射峰
圖3 YVO4∶Tb3+ (a)、YPO4∶Tb3+ (b)及YV1-xPxO4∶Tb3+ (c)的SEM 照片
吸收光譜及能帶分析
為研究YVO4、YPO4帶隙分布,本文采用第一性原理方法計(jì)算了YVO4、YPO4體相的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)，圖4為理論計(jì)算的能帶分布。YVO4、YPO4帶隙理論計(jì)算值分別為2.769和5.882eV。采用吸收光譜分析能帶情況，結(jié)果表明Tb3+摻雜濃度高于一定值時(shí)，吸收帶邊發(fā)生紅移。
圖4 YVO4 (a)、YPO4(b)、Y2VPO8 (c)及Y2PVO8(d)能帶間隙分布
圖5 YVO4∶Tb3+ (a) YPO4∶Tb3+ (b)、及YV1-xPxO4∶Tb3+(c)的吸收光譜
聲子能量分布
為分析樣品聲子能量分布,采用北京卓立漢光儀器有限公司生產(chǎn)的 Finder 930全自動(dòng)激光顯微共聚焦拉曼光譜儀測(cè)試了熒光粉樣品的拉曼光譜（圖6）, YVO4、YPO4的原胞均在布里淵區(qū)中心產(chǎn)生12個(gè)拉曼活性聲子分支,具有相同振動(dòng)模式, YV1-xPxO4中振動(dòng)頻率在998 cm-1 的散射峰對(duì)應(yīng)YPO4 的A1g (2)特征峰,其余可辨散射峰均為YVO4的特征峰。YVO4的Eg (2)、B2g、A1g(1)和A1g(2)四個(gè)內(nèi)模散射峰位隨V:P比例增加向低波數(shù)方向移動(dòng),如圖6(b)所示,表明VO4四面體中V—O平均鍵長(zhǎng)隨V含量增加而變長(zhǎng),V—O鍵振動(dòng)頻率降低,特征峰形向高波數(shù)呈現(xiàn)非對(duì)稱性展寬源于聲子限制效應(yīng), YV1-xPxO4晶格完整性及平移對(duì)稱性較YVO4 有所降低,參與拉曼散射聲子數(shù)量增加,譜峰出現(xiàn)拖尾展寬現(xiàn)象。YPO4及不同P:V =比例YV1-xPxO4的拉曼散射如圖6(c)所示,左上插圖為YPO4在120 ~900cm-1 拉曼散射放大圖。圖中除B1g(2)外,YPO4其余11個(gè)征散射峰全部觀測(cè)到。YPO4中399 和705cm-1 處非特征的拉曼散射峰,可能是因?yàn)榫钟蚓Ц窕儺a(chǎn)生了非本征YPO4的拉曼散射。YPO4中大于1200cm-1高能聲子可能涉及到更高一級(jí)的拉曼散射效應(yīng)。YV1-xPxO4中VO4四面體內(nèi)模振動(dòng)顯著,P:V為5:1時(shí),VO4四面體內(nèi)模振動(dòng)影響依然存在,頻率低于900 cm-1,依然難以分辨YPO4內(nèi)模振動(dòng)。YPO4高頻內(nèi)模振動(dòng)A1g(2)、B1g(4)隨P:V變化如圖6(d)所示,表明PO4四面體中P—O平均鍵長(zhǎng)隨P含量增加而變短,P—O鍵振動(dòng)頻率增加。綜上,YVO4 的拉曼頻譜分布不均勻,*大聲子能量集中在815~890cm-1、500~800cm-1。YPO4一階拉曼頻譜分布較為均勻,內(nèi)模振動(dòng)聲子能量接近。調(diào)整V:P比例,一定范圍內(nèi)可有效調(diào)控YV1-xPxO4聲子能量分布,從而調(diào)整材料的無(wú)輻射弛豫速率。
圖6 YVO4、YPO4及YV1-xPxO4的Raman 光譜。(a) YVO4和YV1-xPxO4 ;(b)YVO4部分特征振動(dòng)譜頻率隨V:P比例的移動(dòng);(c)YPO4 及YV1-xPxO4 ;(d)YPO4部分特征振動(dòng)譜頻率隨P:V比例的移動(dòng)。
采用北京卓立漢光儀器有限公司自住研制的 Omni Fluo 990瞬態(tài)穩(wěn)態(tài)熒光光譜儀測(cè)試樣品的光致發(fā)光譜及熒光壽命,圖7為激發(fā)、發(fā)射光譜，YVO4:Tb3+ 激發(fā)光譜由220 ~350 nm 的激發(fā)帶和峰值位于233、260、285 和322 nm 吸收峰構(gòu)成。
圖7(b)表明YVO4本征發(fā)光為藍(lán)光,發(fā)光中心位于433 nm 處,對(duì)應(yīng)于VO43- 激發(fā)態(tài)3T2→1A1和3T1→1A1躍遷。YVO4:Tb3+射光譜包含VO43-本征發(fā)光帶和Tb3+的5D3→7F6(373 nm)、5D3→7F4 (428 nm)、5D3→7F2 (468 nm)及5D43→7F5 (545 nm)躍遷發(fā)光, Tb3+發(fā)光以5D3發(fā)光為主。圖7c表明P元素比例增加,VO43- 的電荷遷移躍遷吸收帶消失, Tb3+的基態(tài)7F到激發(fā)態(tài)7D的f-d 躍遷占據(jù)主導(dǎo)。圖5d表明隨P元素增加，發(fā)射光譜呈現(xiàn)由藍(lán)到綠轉(zhuǎn)變,表明基質(zhì)組分對(duì)Tb3+發(fā)光具有一定調(diào)控作用。圖7(f)插圖展現(xiàn)了摻雜濃度對(duì)發(fā)光的調(diào)節(jié)作用,隨Tb3+摻雜濃度增加,發(fā)光由青光變?yōu)榫G光。
圖7 YVO4:Tb3+, YV1-xPxO4:Tb3+和YPO4:Tb3+的激發(fā)、發(fā)射光譜
圖8 5D3→7F6和的5D4→7F5發(fā)光相對(duì)強(qiáng)度隨基質(zhì)組分(a)、摻雜濃度變化(b)
分析發(fā)光機(jī)理,測(cè)試了223 nm 激發(fā)下熒光粉的熒光衰減曲線,如圖9 所示。計(jì)算了有效壽命τ,得到Y(jié)VO4:Tb3+熒光壽命約為83 μs,摻雜濃度對(duì)熒光壽命影響較小，V元素占比高于P元素,發(fā)光以5D3→7F6能級(jí)躍遷發(fā)光為主,熒光壽命約為94μs; 當(dāng)P元素占比高于V元素, 5D3→7F6能級(jí)躍遷發(fā)光減弱甚至消失, 5D4→7FJ能級(jí)躍遷發(fā)光增強(qiáng),隨P:V由1:1增至5:1,熒光壽命隨P元素含量增大而增加,從0.53 ms 增加至0.88 ms。YPO4: 5D4中隨Tb3+濃度增加,5D3藍(lán)光發(fā)射比例減小,5D4綠光發(fā)射比例增加,材料發(fā)光呈現(xiàn)由青光向綠光的變化。5D4→7F5熒光衰減曲線隨Tb3+濃度的變化情況如圖9(d)所示。摻雜濃度由0. 5% 增加至6.0%, Tb3+間距離縮短,更多電子通過該通道被布居到5D4能級(jí)電子數(shù)目增多,熒光壽命從4.44 ms 降至3.45 ms。發(fā)光機(jī)理如圖10所示。調(diào)節(jié)YVO4和YPO4基質(zhì)組分及5D4摻雜濃度,通過無(wú)輻射躍遷、MPR 和CR多過程作用,可以改變Tb3+摻雜釩磷酸鹽發(fā)光色度,實(shí)現(xiàn)由藍(lán)到綠的發(fā)光調(diào)節(jié)。
圖9 YVO4:Tb3+ (a)和YV1-xPxO4:Tb3+ (b)在373nm發(fā)射波長(zhǎng)監(jiān)測(cè)下熒光衰減曲線, YV1-xPxO4:Tb3+ (c)和YV1-xPxO4:Tb3+ (d)在545 nm 發(fā)射波長(zhǎng)監(jiān)測(cè)下熒光衰減曲線
圖10 熒光粉發(fā)光機(jī)理
原文鏈接：DOI:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.20240620.001
作者簡(jiǎn)介
張守超，天津城建大學(xué)副教授，主要從事無(wú)機(jī)發(fā)光材料、材料輻照效應(yīng)等方面研究，在晶體測(cè)溫方面有一定研究成果。主持包括軍科委基礎(chǔ)加強(qiáng)重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目課題等8項(xiàng)，相關(guān)科研成果已在軍工方面取得實(shí)際應(yīng)用。
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