【原创研究】稀土绿色荧光粉合成&表征

直播,不断更新,预计一天能完成(2014.08.19),所以自备钛金F5。
很久没来了,前两个月忙着毕业论文、答辩、入学申请......没时间发表什么内容,因此很多东西积着。


毕业离开中大,这并不代表我的研究就结束了。我将要去别的学校继续读书和发光材料的研究,包括现在做的可见光、以后可能涉及的红外光以及长余辉材料。从一个坑出来了,又掉进另一个坑。
这里先附上我过去的工作,已经在化吧发过,贴上传送门:


1. Ca8MgY(PO4)7:Eu2+,Mn2+白光荧光粉
http://tieba.baidu.com/p/2582652062?pid=38653653833&cid=0#38653653833
2. LED领域研究中的常用稀土离子介绍

http://tieba.baidu.com/p/2779219298?pid=43505787160&cid=0#43505787160
3. NYB三掺红色荧光粉

http://tieba.baidu.com/p/2836357746?pid=45079505094&cid=0#45079505094


第一页完毕
镇楼图


楼主 风已把我吹远  发布于 2014-08-19 16:18:00 +0800 CST  
这次打算放出一点失败产物,并且介绍我年初发表的工作(两篇文章)。
这次要介绍的paper如下:
Wen, D.; Yang, H.;Yang, G.; Shi, J.; Wu, M.; Su, Q., Structure and Photoluminescence Propertiesof Na2Y2B2O7:Ce3+,Tb3+Phosphors for Solid-State Lighting Application. J. Solid State Chem. 2014,213,65-71.

Wen, D.; Yang, G.;Yang, H.; Shi, J.; Gong, M.; Wu, M., Photoluminescence properties ofcolor-tunable novel Na2Ca4(PO4)2SiO4:Ce3+,Tb3+ near ultraviolet convertible phosphors. Mater. Lett. 2014,125,63-66.

我一直展示的都是实验成功后产物,要知道实验哪有这么容易成功。实验失败的其中一种结果,就是像这样喷出,虽然产物仍然可以收集测试,不过都这样了,我还是继续考虑合成条件吧。


普通条件下拍摄失败产物




紫外光条件下拍摄失败产物


楼主 风已把我吹远  发布于 2014-08-19 16:26:00 +0800 CST  
虽说是两篇研究,不过利用的都是Ce3+→Tb3+的能量传递,只不过使用了不同的晶体。因此这次我打算和在一起介绍,并且删去过于学术的描述。
使用的晶体分别是Na2Ca4(PO4)2SiO4和Na2Y2B2O7


合成条件:
Na2Ca4(PO4)2SiO4:原材料(CaCO3/Na2CO3/(NH4)2HPO4/SiO2)按照化学计量比混好研磨→然后扔进电炉加热,1000℃加热8小时→拿出来粉碎→然后在通入氢气和氮气的条件下,1200℃加热8小时→等待冷却→粉碎,完成。


Na2Y2B2O7:这个之前我合成过了,原材料(NaHCO3/Y2O3/H3BO3)800℃加热3小时→冷却,粉碎→通入氢气和氮气气氛下1100℃加热3小时→等待冷却,粉碎,完成。

楼主 风已把我吹远  发布于 2014-08-19 16:41:00 +0800 CST  
晶体结构~
Na2Ca4(PO4)2SiO4的真实结构,即原子位置等参数还是个谜,因此没有怎么涉及。这里谈谈Na2Y2B2O7的结构。
分一点一点来介绍比较容易让人接受:
1. Na2Y2B2O7与Na2Gd2B2O7是isostructure,晶体结构相当类似。Gd3+和Y3+都是稀土,相似也是可以理解的。
2. Na2Y2B2O7的晶体里头,有两类不等价的Y3+离子,即两类Y3+所处的环境是不一样的。两类Y离子分别记为Y1/Y2,见下图:(图是不是做得很挫?


3. 另外,Na和B离子都各有两类,记为Na1/Na2&B1/B2,而O离子有7类,记为O1-O7。
附上X射线的精修结果:


楼主 风已把我吹远  发布于 2014-08-19 16:57:00 +0800 CST  
由于需要研究Ce3+→Tb3+的能量传递,因此需要先研究作为源头Ce3+离子在两类晶体中的发光性质。
在Na2Ca4(PO4)2SiO4中,由于离子半径相近,Ce3+会取代Ca2+的位置,而不平衡的电荷将由Na+来补偿。在Na2Y2B2O7中,Ce3+会占据Y3+的位置。
Na2Ca4(PO4)2SiO4里面Ce3+的激发发射光谱如下:


Na2Y2B2O7里面Ce3+的激发发射光谱如下:


对比可看出,同样是Ce3+,两者的激发发射光谱形状很不同。这取决于晶体结构~

楼主 风已把我吹远  发布于 2014-08-19 17:17:00 +0800 CST  
共掺杂

与Ce3+类似,Tb3+也是占据相同的位置。因此,在Na2Ca4(PO4)2SiO4里面占据Ca2+的位置,在Na2Y2B2O7中占据Y3+的位置。
保持Ce3+的量不变,增加Tb3+的含量,可以得到一系列渐变的光谱:
Na2Ca4(PO4)2SiO4: Ce3+,y%Tb3+


Na2Y2B2O7: Ce3+,y%Tb3+


其实结果相当相似,而第一张图更为直观,因此我们主要观察第一张图。
可以看见随着Tb3+浓度的增加,Ce3+的发射强度逐渐减弱,Tb3+的锐线发射越发明显,最后因浓度猝灭才变弱。
这说明了Ce3+→Tb3+的能量传递作用。

楼主 风已把我吹远  发布于 2014-08-19 17:50:00 +0800 CST  
傍晚稍作休息
晚点继续更

楼主 风已把我吹远  发布于 2014-08-19 17:51:00 +0800 CST  
通过控制Ce3+和Tb3+的比例,可以控制产物的颜色,在紫外线的激发下,由蓝光发射连续渐变变成绿光发射。
产物的实际效果图以及色坐标:
Na2Ca4(PO4)2SiO4: Ce3+,y%Tb3+


随着Tb3+的浓度(y%)上升,颜色由蓝变绿。
Na2Y2B2O7:Ce3+,Tb3+现象类似:


楼主 风已把我吹远  发布于 2014-08-19 19:53:00 +0800 CST  
荧光粉在实际应用中需要考虑的问题:
在器件中,荧光粉的工作温度达到100℃以上,而发光材料受热后的发光强度往往会有不同程度的下降。因此,理想的发光材料在升温至150℃内的环境下,发射强度下降百分比应该越小越好。
我测试了Na2Ca4(PO4)2SiO4: Ce3+,Tb3+的变温光谱并且计算积分强度,得到如下结果:


积分强度见小图,温度升至145℃后依然保持常温下的90%以上,这个结果还是比较理想。

楼主 风已把我吹远  发布于 2014-08-19 20:31:00 +0800 CST  
除了热猝灭效应,还需要考虑荧光粉的发射强度。由于荧光粉的发射强度与激发源很有关系,因此目前对发射强度没有很好的评价指标,一般可以考虑测试量子效率作为替代手段,来评价荧光粉的转化效率。
我测试了Na2Y2B2O7:Ce3+,Tb3+的量子效率,结果如下:


绿粉内转化率达75.2%,可以考虑商业化,毕竟合成条件等可以优化(前处理球磨、烧结温度精确探索等)


完毕~

楼主 风已把我吹远  发布于 2014-08-19 21:09:00 +0800 CST  
有问题请尽管提,感谢各位关注~~


楼主 风已把我吹远  发布于 2014-08-19 21:11:00 +0800 CST  
@神游寻周公
差点忘了~求个精品

楼主 风已把我吹远  发布于 2014-08-19 23:32:00 +0800 CST  

楼主:风已把我吹远

字数:2718

发表时间:2014-08-20 00:18:00 +0800 CST

更新时间:2016-11-10 12:07:10 +0800 CST

评论数:159条评论

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