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稀土元素铽镧掺杂对硫氧化钆晶格场的影响及发光性能研究

张静, 许乃岑, 沈加林, 金凡

张静,许乃岑,沈加林,等. 稀土元素铽镧掺杂对硫氧化钆晶格场的影响及发光性能研究[J]. 岩矿测试,2025,44(2):254−267. DOI: 10.15898/j.ykcs.202405070105
引用本文: 张静,许乃岑,沈加林,等. 稀土元素铽镧掺杂对硫氧化钆晶格场的影响及发光性能研究[J]. 岩矿测试,2025,44(2):254−267. DOI: 10.15898/j.ykcs.202405070105
ZHANG Jing,XU Naicen,SHEN Jialin,et al. Influence of Rare Earth Terbium and Lanthanum Doping on the Lattice Field and Luminescence Performance of Gadolinium Oxysulfide[J]. Rock and Mineral Analysis,2025,44(2):254−267. DOI: 10.15898/j.ykcs.202405070105
Citation: ZHANG Jing,XU Naicen,SHEN Jialin,et al. Influence of Rare Earth Terbium and Lanthanum Doping on the Lattice Field and Luminescence Performance of Gadolinium Oxysulfide[J]. Rock and Mineral Analysis,2025,44(2):254−267. DOI: 10.15898/j.ykcs.202405070105

稀土元素铽镧掺杂对硫氧化钆晶格场的影响及发光性能研究

基金项目: 中国地质调查局地质调查项目“苏皖沿江凹陷带油气页岩气调查评价”(DD20221662);中国自然科学基金联合基金重点支持项目“浙闽火山岩区蚀变岩帽叶腊石和明矾石矿物指针研究”(U234420091);中国地质调查局南京地质调查中心成果转化项目“月球及火星模拟样品矿物组成研究”(NJZXK2023-034)
详细信息
    作者简介:

    张静,博士研究生,助理研究员,主要从事矿物(材料)结构分析和矿物功能材料研究。E-mail:lavenderesta@126.com

    通讯作者:

    沈加林,硕士,正高级工程师,主要从事分析测试和地质矿产研究。E-mail:sjlilu@163.com

  • 中图分类号: P575

Influence of Rare Earth Terbium and Lanthanum Doping on the Lattice Field and Luminescence Performance of Gadolinium Oxysulfide

  • 摘要:

    稀土硫氧化物具有较好的传能效率、热稳定性和化学稳定性,其作为发光材料的基质被广泛应用于防伪、显示器、发光二极管、医学影像等领域。由于硫氧化钆(Gd2O2S)的晶体空间结构较宽,当间隙离子进入其中,或阳离子、阴离子形成空位时,晶体结构也依然保持不变。但硫氧化钆荧光粉容易发生团聚现象,使得样品颗粒尺寸较大,降低了样品颗粒的堆积密度,提高了能量的散射率,导致获得的光不均匀。用于显示设备时,粉末粒径大会导致在同一视域里像素数量较少,分辨率较差。本文以Gd2O2S为研究对象,采用硫熔法制备了硫氧化钆荧光粉,引入稀土离子Tb3+、La3+作为掺杂离子,通过优化稀土离子的掺杂量,获得结晶度高、分散性好、尺寸均匀性相对较好的Gd2O2S基荧光粉。利用荧光分光光度计、X射线衍射(XRD)等测试技术,探讨稀土掺杂对Gd2O2S晶格场的影响及发光性能的影响。XRD结果表明:①荧光粉为纯六方晶体结构;②Tb3+、La3+替代Gd3+进入Gd2O2S的晶格位置。荧光粉的荧光光谱图显示:①掺入Tb3+后,在544nm处会发生5D47F5的浓度猝灭,是由于电偶极-电偶极跃迁引起的;②发光强度在Tb3+掺杂浓度为2mol%时最大;③La3+的掺杂增强了硫层的电负性,所以随着掺杂量的增加,晶胞之间的排斥力也逐渐增强,晶粒尺寸逐渐减小,发光强度也随之增强;④当La3+掺杂浓度为60mol%时,发光强度为未掺杂La3+样品的1.9倍。本文通过计算电多级级数分析离子间能量转移的过程,从而确定了发光材料Tb3+、La3+的最佳掺杂浓度。

     

    要点

    (1)用硫熔法制备Tb3+掺杂的Gd2O2S荧光粉,研究了Tb3+的掺杂浓度对Gd2O2S荧光性能的影响。

    (2)引入稀土离子La3+取代Gd2O2S中的基质离子Gd3+,使得Tb3+周围的晶格场环境发生改变,有效地提高了Gd2O2S的荧光性能。

    (3)探讨Tb3+以及La3+在Gd2O2S基体中的能量转移机制,分析稀土离子掺杂对Gd2O2S荧光粉的作用机理。

    HIGHLIGHTS

    (1) Tb3+ doped Gd2O2S phosphors were prepared via the sulfur-melting method, and the impact of Tb3+ doping concentration on the fluorescence properties of Gd2O2S was studied.

    (2) The rare earth ion La3+ was introduced to substitute the matrix ion Gd3+ in Gd2O2S, altering the crystal field environment surrounding Tb3+, and effectively improving the fluorescence properties of Gd2O2S.

    (3) The energy transfer mechanisms of Tb3+ and La3+ within the Gd2O2S matrix were explored, and the mechanism of action of rare earth ion doping on the Gd2O2S phosphor was analyzed.

  • 特殊的4f亚层电子排布1和强大的自旋轨道相互作用力,以及较大的原子磁场强度等因素使得稀土金属展现了丰富的光学、电气与物理属性特征。当它们的4f壳层中的电子数量发生变化时,会产生显著且多样化的能量转移现象,这使稀土元素能够吸收或发射覆盖整个可见光范围内的不同颜色的光2,而这种卓越的能力为制备高性能的荧光粉提供了可能的基础条件3-5。由于稀土硫氧化物独特的层状构造、低至约500cm−1的声子能量,使其展现出极高的熔点(通常2000~2200℃)6,同时拥有较窄的禁带宽度(大约4.6~4.8eV)7,这使得它具备了高度的化学和热稳定性,因此经常作为荧光粉的基质材料8-9。这种由稀土硫氧化物制成的发光材料因其卓越的光吸收及传递性能而备受关注10-12,并被成功应用于光电子器件、磁性材料、催化剂等领域13-15

    稀土硫氧化物具有六方晶体结构,它的化学键表现为共价键-离子键的混合态,空间群归属P3ml,并且拥有较为宽敞的空间架构,这便能容纳一定数量的间隔离子进入,同时也能产生阳阴离子的空缺,使其晶体结构仍可维持相对稳定16。近年来,研究者们对稀土硫氧化物的制备方法、物理化学性能进行了大量研究,发现稀土硫氧化物的颗粒形貌、颗粒尺寸、原料配比、热处理温度、助熔剂选择等都对其发光性能有影响17-18。Qian等19通过水热法制备了Tb3+、Sm3+掺杂的Gd2O2S荧光粉。荧光粉呈现胶囊状,具有六方晶相结构和良好的发光性能。通过改变掺离子浓度和激发波长,可以实现从绿光到橙红光的各种颜色的可调发光。Jiang等20通过调节溶液pH值,合成了片状、球形、扁方形、长方体以及棒状的Tb3+掺杂的Gd2O2S荧光粉。结果表明,所有形态的荧光粉均为纯六方相。随着形态的变化,荧光粉的带隙能从3.76eV变为4.28eV,可以观察到带隙能呈现逐渐增加的趋势,发光性能也随之不同。相较之下,具有球状和立方体微结构的荧光粉表现出更为优异的发光性能,并且所得荧光粉的发射颜色受激发源的强烈影响。Machado等21探索了利用快速微波辅助固相法(MASS)合成了一系列Er3+掺杂的Gd2O2S荧光粉以及Er3+、Yb3+掺杂的Gd2O2S荧光粉。使用两种不同的起始化合物,稀土氧化物(Ln2O3)和羟基碳酸盐[Ln(OH)CO3],其中Ln为Gd、Er、Yb,结果表明,使用Ln(OH)CO3替代更常见的Ln2O3进行MASS合成,有助于Er3+和Yb3+在Gd2O2S基体中的均匀分布,同时得到更优异的上转换发光性能。MASS法与传统固相方法相比,制备时间减少79%,能耗减少93%。目前常用的制备方法有:①高温固相法,优点是操作简单、产量高,但易引入杂质且粒径较大;②水热法,优点是分散性好,但需要在高压下操作且产量较低;③溶胶凝胶法,优点是样品纯度好,但成本高且对环境有一定危害;④燃烧法,优点是快速、粒径较小,但发光强度较低且会产生烟雾;⑤微乳液法,优点是粉末结晶度好,但成本较高且引入表面活性剂会影响发光性能;⑥硫熔法,优点是操作过程简单、粉体发光效率高,但样品容易团聚,这样获得的样品颗粒尺寸较大,降低了样品颗粒的堆积密度,提高了能量的散射率,导致获得的光不均匀。用于显示设备时,粉末粒径大会导致在同一视域里像素数量较少,分辨率较差。

    如何获得粒径较小、窄分布、发光强度高的硫氧化钆荧光粉是硫熔法制备方法的关键。本文以Gd2O2S作为基体,首先采用硫熔法制备Tb3+掺杂的Gd2O2S荧光粉。利用X射线衍射仪分析样品的物相组成与结构,荧光分光光度计测量样品的发射光谱和激发光谱,进一步探讨Tb3+的掺杂浓度对荧光粉的晶格场环境和发光特性的影响。在制得发光效率较高的Tb3+单掺杂的Gd2O2S荧光粉后,以稀土离子La3+部分取代Gd3+,通过引入稀土掺杂离子,来有效地提升荧光粉的发光强度,探讨其对荧光粉的晶格场环境以及发光性能的影响。最终,制得粒径较小、窄分布、发光强度高的硫氧化钆荧光粉。

    实验流程如图1所示,按照化学计量比称取物料(氧化钆、升华硫、无水碳酸钠、氧化铽、氧化镧),将物料与玛瑙球混合,置于球磨机上,球磨10h,使物料充分混合均匀。混合物料干燥后,采用双坩埚套埋的方式,在高温程序炉中进行煅烧。热处理温度设置为从室温加热到270℃,保温1h,再升温到1100℃保温3h,升温速率设为5℃/min。自然冷却后,把经过煅烧的粉末放入烧杯中,用去离子水洗涤三遍,将洗涤完成的粉末进行抽滤。重复洗涤、抽滤三遍后,将样品放入干燥箱中,在80℃下烘干12h,过筛,得到Tb3+、La3+掺杂的Gd2O2S荧光粉。

    图  1  硫熔法制备稀土荧光粉工艺流程
    Figure  1.  Process flow for preparing rare earth phosphors by sulfur fusion method

    利用 X 射线衍射仪(D/max-2500型,日本Rigaku公司)对荧光粉的物相组成与结构进行分析研究。仪器工作条件为:工作电压40kV,工作电流100mA,Ni 滤光片,石墨单色器,DS(发散狭缝)1°,SS(防散射狭缝)1°,RS(接收狭缝)0.1mm。波长0.154nm,连续扫描,步径为0.02°,扫描速度8°/min,采用Cu Kα射线,2θ角扫描范围为10°~80°。

    通过荧光分光光度计(Lumina型,美国ThermoFisher公司)对荧光粉的激发光谱和发射光谱进行分析研究。仪器工作条件为:激发光谱在544nm监测下测得,发射光谱在254nm激发下测得。狭缝宽度1nm,探测器电压500V,扫面速度60nm/min。测试过程中为了防止倍频峰的影响,选用500nm的滤光片。波长准确度:±0.5nm,重复性:±0.2nm。

    因为Gd2O2S宽敞的六方晶体结构,能够形成一定数量的阳离子和阴离子空位,同时可以容纳一定量的间隙离子进入,而晶体结构并未发生改变。Tb3+作为激活剂离子,它的掺入并没有改变Gd2O2S的六方晶体结构,但其掺杂浓度对样品的发光性能有着直接的影响。

    表1是Gd2O2S与Tb2O2S的晶体参数比较,可以看出两者的晶体参数以及晶体结构比较接近。图2为Tb3+掺杂Gd2O2S示意图。由于Gd3+的离子半径为0.0938nm22-23,Tb3+的离子半径为0.0923nm,根据置换型固溶体影响因素24,只有当两个组分的晶体结构完全一样且离子电价相等时,才会形成连续置换型固溶体。当两个离子的离子半径差小于15%时,容易形成连续置换型固溶体;当大于15%小于30%时,会形成有限置换固溶体;当大于30%时,很难形成固溶体。此外,当两组分的电负性相差较大则易形成化合物,而电负性相近的两组分则更有利于形成固溶体。表1中可以看出,Tb3+和Gd3+两者的离子半径相近,带电电荷也相同,所以Tb3+可以很容易替代Gd3+进入Gd2O2S的晶格位置,取代Gd3+形成固溶体。

    表  1  两种硫氧化物的晶体结构参数比较
    Table  1.  Comparison of crystal structure parameters of two kinds of oxysulfides
    硫氧化物 空间群 晶胞参数 密度Ρ
    (g/cm3)
    晶胞棱长a
    (nm)
    晶胞棱长b
    (nm)
    晶胞棱长c
    (nm)
    Tb2O2S P-3ml 0.3822 0.3822 0.6625 7.567
    Gd2O2S 0.3852 0.3852 0.6667 7.330
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    图  2  Tb3+掺杂Gd2O2S示意图
    Figure  2.  Schematic diagrams of Tb3+ doped Gd2O2S: (a) Structure before Tb3+ doping; (b) Structure after Tb3+ doping

    对不同Tb3+掺杂浓度下(0.25mol%、0.75mol%、1mol%、2mol%、3mol%、4mol%)的荧光粉进行X射线衍射分析。从图3中可以看出,所有样品的衍射峰位置均与标准卡片JCPDS(No.26-1422)完全一致13,没有其他的杂质峰,说明样品中Tb3+已完全掺入到基体的晶格中,且Tb3+的掺入并没有改变Gd2O2S的六方晶体结构。

    图  3  不同Tb3+掺杂浓度下(Gd1-xTbx)2O2S荧光粉的X射线衍射图(x=0.25mol%,0.75mol%,1mol%,2mol%,3mol%,4mol%)
    Figure  3.  XRD patterns of (Gd1-xTbx)2O2S phosphors at different Tb3+ doping concentrations (x=0.25mol%, 0.75mol%, 1mol%, 2mol%, 3mol%, 4mol%)

    Tb3+的掺杂浓度会直接影响荧光粉的发光强度。通常情况下,Tb3+浓度的提高会增强基质中荧光物质的光发射能力25-26。这是因为Tb3+离子间的距离缩短能强化它们的自敏化作用,使得蓝光发射强度减弱的同时绿光发射强度增强。然而,一旦掺入超过淬灭临界浓度的Tb3+,Tb3+发生了浓度猝灭效应,自身的“凝聚”和“共振”的现象会导致非辐射跳跃率的上升,反过来又会降低荧光粉的光发射强度27

    图4是利用荧光光谱仪对合成的系列Tb3+掺杂的Gd2O2S荧光粉在254nm近紫外光激发下的发射光谱图。通过观察光谱图可知,尽管Tb3+含量有所变化,但并未对荧光粉的特征发射峰位置产生显著影响。最强的特征发射峰对应的是Tb3+5D47F5跃迁,位于544nm(绿光区);此外在586nm(黄光区)观察到特征发射峰对应Tb3+5D47F4跃迁,以及在622nm(红光区)观察到特征发射峰对应Tb3+5D47F3跃迁。随着Tb3+掺入量的提升,铽掺杂的硫氧化钆荧光粉的发射峰强度也随之增强。直至Tb3+的掺入量为2mol%时光发射强度达到峰值。进一步提高Tb3+的掺入量后,荧光粉的光发射强度却开始降低,这意味着本研究中Tb3+的猝灭临界值为2mol%。

    图  4  不同Tb3+掺杂浓度下(Gd1-xTbx)2O2S荧光粉的发射光谱(λex=254nm)谱图(x=0.25mol%,0.75mol%, 1mol%,2mol%,3mol%,4mol%)
    Figure  4.  The emission spectra of (Gd1-xTbx)2O2S phosphors at various Tb3+ doping concentrations (x=0.25mol%, 0.75mol%, 1mol%, 2mol%, 3mol%, 4mol%)

    当Tb3+掺杂浓度增加时,相邻Tb3+之间的距离减小,激发的Tb3+可以将吸收到的能量传递给紧邻的发光中心离子Tb3+,直至传递到猝灭中心,使得荧光粉发光强度降低28。故Tb3+浓度越高,发生浓度猝灭可能性也就越大。

    在Tb3+掺杂Gd2O2S的系列荧光粉中可以用以下公式(1)29来估算相邻Tb3+间的距离:

    $$ {R}_{\mathrm{T}\mathrm{b}-\mathrm{T}\mathrm{b}}\approx 2\times {\left[\frac{3V}{4\mathrm{\pi }{X}_{\mathrm{c}}N}\right]}^{1/3} $$ (1)

    式中:V代表单个晶胞体积;Xc代表Tb3+掺杂的浓度;N则是指单个晶胞中阳离子的占比。Tb3+掺杂的Gd2O2S荧光粉中,V值为0.0857nm3N值为2;Xc值为0.02。

    计算得到,Tb3+掺杂量为2mol%时,相邻Tb3+间的距离为1.6nm。根据Dexter电荷转移机理,离子之间的能量传递机理存在交互作用和电多级相互作用两类。交互作用通常发生在轨道重叠的离子之间,所以它们距离在0.3~0.4nm30。而1.6nm远大于0.3~0.4nm的范围,所以电多级相互作用引起了能量在Tb3+内部的浓度猝灭。

    5D47FJ转移到不同能级的过程受到相同猝灭浓度以及衰减规律的影响31,从浓度猝灭曲线的分析中可以推测Tb3+的浓度猝灭机制。根据Dexter电荷转移机理,发光强度I和激活剂浓度α的关系如式(2)、(3)所示32

    $$ I\mathrm{\infty}\alpha^{\left(1-\frac{S}{d}\right)}\mathit{\Gamma}(1+\frac{S}{d}) $$ (2)
    $$ \mathrm{\alpha}=C\cdot\mathit{\mathrm{\mathit{\Gamma}}}\left(1-\frac{\mathrm{\mathit{S}}}{\mathit{\mathit{\mathrm{\mathit{d}}}}}\right)\left[\frac{\mathrm{\mathit{X}}_0\left(1+\mathrm{\mathit{A}}\right)}{\mathrm{\gamma}}\right]^{\mathrm{\mathit{d}}/\mathit{\mathrm{\mathit{S}}}} $$ (3)

    式中:电多极级数为S;试样样本的维数为d,由于Tb3+之间的能量传递发生在晶体颗粒的内部,所以d值为3;Γ(1+S/d)是Γ函数33C是Tb3+掺杂量。

    式(3)中:AX0为常数,γ为敏化剂的固有跃迁概率。因此,可以推导出公式(4):

    $$ \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}\left(\frac{I}{C}\right)=-\frac{S}{d}\times \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}C+\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}f $$ (4)

    式(4)中:当S分别等于6、8、10时,代表了电偶极跃迁相互作用、电偶极-电四级相互作用以及电四极跃迁相互作用。

    将Tb3+在254nm激发下的绿光发射的5D47F5(544nm)跃迁发射强度与Tb3+的掺杂量的log(I/x)和log(x)进行线性拟合,得到结果如图5所示。

    图  5  Tb3+5D47F5 跃迁发射强度I与掺杂量x的log(I/x)−log(x)关系
    Figure  5.  Relational curves of log(I/x)-log(x) between emission intensity I of Tb3+ 5D47F5 and doping concentration x

    拟合后得到斜率−S/3=−1.966,即S≈6,故在本研究中Tb3+发生浓度猝灭的主要原因是电偶极跃迁相互作用引起的27。因此,当Gd2O2S基质中相邻Tb3+之间的距离小于1.6nm的临界猝灭距离时,电偶极跃迁相互作用,使得Tb3+5D4能级上的数量减少,减弱了荧光粉的光发射强度。

    按照洪特定律,当离子电子结构的最外层达到全满、半满或者完全空时,其离子稳定性较高。La3+从基态到激发态需要很大的能量,并且在200~1000nm没有特征发射峰,因此不会对发光中心离子的色纯度有影响,且La3+与Gd3+具有相同的P3ml空间群,所以La3+取代Gd3+后,晶体结构依然保持六方晶相。

    图6是不同 La3+掺杂浓度(15mol%、30mol%、45mol%、60mol%)的荧光粉的X射线衍射谱图,当La3+掺杂量增加后,样品依然保持着纯粹的六方晶体结构。进一步观察X射线衍射谱图的细节部分,可以清楚地观察到峰的位置朝较低的角度发生偏移,同时相应的晶体尺寸也在增大。这是由于La3+的半径比Gd3+更大,因此引入La3+会导致晶格扩大,从而使晶胞参数也随之增大。

    图  6  (LaxGd1-x)2O2S:Tb的X射线衍射谱图 (x=0.15,0.30,0.45,0.60)
    Figure  6.  XRD patterns of (LaxGd1-x)2O2S:Tb (x=0.15, 0.30, 0.45, 0.60)

    表2是根据德拜-谢乐公式计算的系列La3+掺杂荧光粉的晶粒尺寸,可以观察到随着La3+掺杂浓度的提高,La3+掺杂荧光粉的晶粒尺寸由最初的从106.2nm逐渐降低至37.3nm。这表明La3+掺杂浓度的提高,会使得晶格发生畸变,从而增加电荷密度。电荷密度的增强又会增强晶粒间的排斥力,限制了晶粒的生长34

    表  2  (LaxGd1-x)2O2S:Tb的晶粒尺寸(x=0.15,0.30,0.45,0.60)
    Table  2.  Calculated crystalline size of (LaxGd1-x)2O2S:Tb phosphor (x=0.15, 0.30, 0.45, 0.60)
    荧光粉样品 晶粒尺寸(nm)
    Gd2O2S:Tb 106.2
    (La0.15Gd0.85)O2S:Tb 88.9
    (La0.30Gd0.70)O2S:Tb 50.3
    (La0.45Gd0.55 )O2S:Tb 48.5
    (La0.60 Gd0.40)O2S:Tb 37.3
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    图7是样品表面电子密度图。从图7b可以看出,晶格表面主要是带有负电荷的硫层,硫层的负电性增大,则排斥力也随之增强。为了更好地了解尺寸变化机理,利用密度泛函理论(DFT)计算了Gd2O2S、(La0.15Gd0.85)2O2S和(La0.6Gd0.4)2O2S的态密度(DOS),以及各个原子的态密度(PDOS)。本研究用Materials Srudio软件中的CASTEP模块对稀土Tb3+、La3+掺杂的Gd2O2S荧光粉的能带结构以及态密度进行计算。因为样品为六方晶体结构,P3ml空间群,晶格常数为:a=0.3851nm,b=0.3851nm,c=0.6664nm,α=90°,β=90°,γ=120°。CASTEP (Cambridge sequential total energy package)是基于密度泛函方法(DFT)来进行量子力学的计算35。研究中选用了广义梯度近似的(GGA),基于DFT的第一性原理平面波超软赝势方法(Utrasoft pseudopotential)来模拟计算36。计算中,选取了各原子的价电子组态分别为Gd (4f75s25p65d16s2)、La (5s25p65d16s2)、S (3s23p4)以及O (2s22p4)37,在倒易k空间中,平面波截断能量Ecut=360eV,收敛精度选取2×10−6eV。用Monkors-Park网格法进行K点选取,K网格大小为4×4×2,能量计算在倒易空间中进行,通过布里渊区的积分计算荧光粉的电子结构。通过Eg=1240/λg (eV) 计算,可以得出三种荧光粉的禁带宽度分别为4.22eV、3.82eV和3.52eV。PDOS的价带顶主要由氧元素的2p轨道以及硫元素的2p轨道组成;导带则由钆元素的5d轨道以及镧元素的5d轨道组成。

    图  7  电子密度等面图
    Figure  7.  Contour maps of electron density

    图8中的Gd2O2S、(La0.3Gd0.7)2O2S以及(La0.6Gd0.4)2O2S的能带结构图与态密度图中可以看出,由于La3+掺杂浓度的提高,导带态密度也随之逐渐增大。表面电荷密度又会由于态密度的增大而加强,从而增强了荧光粉晶粒间的排斥力。此外,态密度越强对应的能隙越小,所以导带宽度的增大,导致能隙缩小。

    图  8  Gd2O2S, (La0.3Gd0.7)2O2S 以及(La0.6Gd0.4)2O2S的能带结构图、态密度图
    图中s、p、d、f分别代表s、p、d、f轨道对态密度的贡献。
    Figure  8.  The band structure diagrams and density of states diagrams of Gd2O2S, (La0.3Gd0.7)2O2S and (La0.6Gd0.4)2O2S (s, p, d, and f represent the contributions of s, p, d, and f orbitals to the density of states, respectively)

    表3则是将Gd2O2S基体和Tb3+、La3+掺杂的Gd2O2S荧光粉中各原子对应的价态以及键长进行了对比。用Materials Srudio软件进行计算,发现均存在两种金属-氧键(Gd-O)。引入La3+后,荧光粉的键长相较于Gd2O2S更长,Gd2O2S中原子的价态更高。从掺入稀土离子后硫原子的负电性增强也可证实表面排斥力得到了增强。

    表  3  Tb3+掺杂的Gd2O2S荧光粉以及(La0.3Gd0.7)2O2S的键长和各原子对应的价态
    Table  3.  Bond length and charge of atoms of Gd2O2S:Tb and (La0.3Gd0.7)2O2S
    样品 键长(nm) 价态
    Gd-O1 Gd-O2 Gd-S Gd S O
    Gd2O2S 0.2263 0.2704 0.2859 0.95 −0.53 −0.69
    (Gd0.7La0.3)2O2S 0.2283 0.2533 0.2923 0.81 −0.56 −0.67/−0.79
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    图9是不同 La3+掺杂浓度(0、15mol%、30mol%、45mol%、60mol%)的样品的荧光光谱图。在254nm激发下,稀土掺杂的Gd2O2S荧光粉的特征发射峰位置没有明显改变,发光强度随着La3+掺杂量的增加而逐渐增强,当La3+掺杂浓度为60mol%时,发光强度为未掺杂La3+时的1.9倍。

    图  9  254nm激发下(Gd1-xLax)2O2S:Tb的发射光谱
    Figure  9.  Phosphor emission spectra of (Gd1-xLax)2O2S:Tb excited by 254nm

    图10是不同 La3+掺杂浓度(15mol%、30mol%、45mol%、60mol%)的荧光粉在544nm下的激发光谱,并用高斯函数将Tb3+掺杂的Gd2O2S荧光粉、La3+掺杂量为30mol%的荧光粉以及Tb3+掺杂的La2O2S荧光粉的激发光谱宽峰进行拟合。其中,绿线为高斯函数曲线,红线为实验曲线,黑线为拟合曲线,方便观察掺杂La3+对荧光粉激发光谱的影响,可以看出,激发光谱随着La3+掺杂量的增加有逐渐蓝移的趋势。随着La3+掺杂量的增加,基质吸收中心(Gd3+)会逐渐向左移动,从而使得整个基质吸收带左移,故激发光谱发生蓝移。而吸收带的迁移又与晶格场环境有关,对于稀土离子来说,晶格场越强,吸收带越容易往低波段发生迁移38。结合图8,发现导带宽度的增加,使得原子轨道延展,会增强晶格场。此外,荧光粉的共价性减弱,使得稀土离子的离子性增强,离子间距离缩短,库伦力增大,基质吸收带向低波段移动。由此,随着La3+掺杂量的增加,逐渐增强的晶格场,使得荧光粉的激发光谱蓝移。

    图  10  (Gd1-xLax)2O2S:Tb的激发谱(544nm)
    Figure  10.  Excitation spectra of (Gd1-xLax)2O2S:Tb phosphors monitored at 544nm

    图11是不同 La3+掺杂浓度(0、15mol%、30mol%、45mol%、60mol%)样品在Tb3+ 544nm发射和254nm激发测得的荧光衰减曲线。Bedekar认为荧光衰减与发光中心离子数目、Gd2O2S基质中能量迁移以及杂质有关39-40,且发光中心离子周围的晶格场环境会影响Tb3+的荧光衰减时间40。荧光粉的衰减时间会随着晶体结构对称性的增强而逐渐增长41

    图  11  (LaxGd1-x)2O2S:Tb荧光衰减曲线 (x=0,0.15,0.30,0.45,0.6)
    Figure  11.  Fluorescence attenuation curves of (LaxGd1-x)2O2S:Tb (x=0, 0.15, 0.30, 0.45, 0.6)

    荧光粉的衰减曲线需符合式(5)双指数衰减公式42。式中It时间的光强;A、B1、B2都是常数;而τ1τ2则代表了两个不同的时间常数,分别对应于两个发光中心:

    $$ I\left(\tau\right)=\mathrm{\mathit{A}}+\mathrm{\rm{\mathit{B}}_1}\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}(-t/\tau_1)+\mathrm{\mathit{B}_2}\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}(-t/\tau_2) $$ (5)

    由式(6)可以计算出荧光粉的平均荧光寿命43

    $$ \tau_{\mathrm{a}\mathrm{v}\mathrm{g}}=\frac{\rm{\mathit{B}}_1\tau_1^2+\mathrm{\mathit{B}_2}\tau_1^2}{\rm{\mathit{B}}_1\tau_1+\mathrm{\mathit{B}_2}\tau_2} $$ (6)

    当不掺杂La3+以及La3+的掺杂量为15mol%、30mol%、45mol%、60mol%时,荧光寿命分别对应565μs、905μs、672μs、612μs以及589μs。当Tb3+掺杂的Gd2O2S荧光粉引入La3+后,La3+会破坏晶体原有的对称性,从而产生了晶格缺陷。但也正是由于晶格缺陷的出现,使得荧光粉的荧光寿命得到增长。当La3+的掺杂量为15mol%时,荧光寿命从Gd2O2S基体的565μs增至905μs。但对于发光中心离子Tb3+,La3+掺杂量增加会使Tb3+周围晶格场环境的不对称性增强,所以当La3+的掺杂量从15mol%逐渐增加至60mol%时,可以发现荧光粉的荧光寿命又逐渐降低,这也与图9发光规律一致。因此,在Tb3+掺杂的Gd2O2S荧光粉中,随着La3+掺杂量的增加,晶格场的对称性逐渐降低,光发射强度逐渐增强。

    利用X射线衍射仪、荧光分光光度计等测试表征手段,对掺杂稀土离子Tb3+、La3+的Gd2O2S荧光粉的相组成、光谱特性进行了研究,并对其中的“浓度猝灭机理”,“晶格场对称性”进行了初步探讨。结果表明,Tb3+的掺杂量对荧光粉的发光性能有显著影响,当Tb3+掺杂量为2mol%时,Tb3+掺杂的Gd2O2S荧光粉光发射强度最大;当Tb3+掺杂量大于2mol%时,发生了电偶极相互作用引起的浓度淬灭现象,相邻的发光中心离子之间的临界猝灭距离为1.6nm。引入掺杂离子La3+会增加硫层的电负性,晶格发生畸变,增强晶粒间的排斥力,限制了晶粒的生长。随着La3+掺杂量的提高,荧光粉的晶格场增强,Tb3+周围环境的不对称性增强,激发光谱向低角度移动,光发射强度得到增强。

    采用硫熔法制备稀土Tb3+、La3+掺杂的Gd2O2S荧光粉,有效地提高了荧光粉的光发射强度,为进一步制备粒径分布均匀、色纯度高、光发射强度大的荧光粉奠定了基础。今后利用水热法和硫熔法联合的方式来控制颗粒的形貌以及粒径大小,有望得到发光更均匀的荧光粉。

  • 图  1   硫熔法制备稀土荧光粉工艺流程

    Figure  1.   Process flow for preparing rare earth phosphors by sulfur fusion method

    图  2   Tb3+掺杂Gd2O2S示意图

    Figure  2.   Schematic diagrams of Tb3+ doped Gd2O2S: (a) Structure before Tb3+ doping; (b) Structure after Tb3+ doping

    图  3   不同Tb3+掺杂浓度下(Gd1-xTbx)2O2S荧光粉的X射线衍射图(x=0.25mol%,0.75mol%,1mol%,2mol%,3mol%,4mol%)

    Figure  3.   XRD patterns of (Gd1-xTbx)2O2S phosphors at different Tb3+ doping concentrations (x=0.25mol%, 0.75mol%, 1mol%, 2mol%, 3mol%, 4mol%)

    图  4   不同Tb3+掺杂浓度下(Gd1-xTbx)2O2S荧光粉的发射光谱(λex=254nm)谱图(x=0.25mol%,0.75mol%, 1mol%,2mol%,3mol%,4mol%)

    Figure  4.   The emission spectra of (Gd1-xTbx)2O2S phosphors at various Tb3+ doping concentrations (x=0.25mol%, 0.75mol%, 1mol%, 2mol%, 3mol%, 4mol%)

    图  5   Tb3+5D47F5 跃迁发射强度I与掺杂量x的log(I/x)−log(x)关系

    Figure  5.   Relational curves of log(I/x)-log(x) between emission intensity I of Tb3+ 5D47F5 and doping concentration x

    图  6   (LaxGd1-x)2O2S:Tb的X射线衍射谱图 (x=0.15,0.30,0.45,0.60)

    Figure  6.   XRD patterns of (LaxGd1-x)2O2S:Tb (x=0.15, 0.30, 0.45, 0.60)

    图  7   电子密度等面图

    Figure  7.   Contour maps of electron density

    图  8   Gd2O2S, (La0.3Gd0.7)2O2S 以及(La0.6Gd0.4)2O2S的能带结构图、态密度图

    图中s、p、d、f分别代表s、p、d、f轨道对态密度的贡献。

    Figure  8.   The band structure diagrams and density of states diagrams of Gd2O2S, (La0.3Gd0.7)2O2S and (La0.6Gd0.4)2O2S (s, p, d, and f represent the contributions of s, p, d, and f orbitals to the density of states, respectively)

    图  9   254nm激发下(Gd1-xLax)2O2S:Tb的发射光谱

    Figure  9.   Phosphor emission spectra of (Gd1-xLax)2O2S:Tb excited by 254nm

    图  10   (Gd1-xLax)2O2S:Tb的激发谱(544nm)

    Figure  10.   Excitation spectra of (Gd1-xLax)2O2S:Tb phosphors monitored at 544nm

    图  11   (LaxGd1-x)2O2S:Tb荧光衰减曲线 (x=0,0.15,0.30,0.45,0.6)

    Figure  11.   Fluorescence attenuation curves of (LaxGd1-x)2O2S:Tb (x=0, 0.15, 0.30, 0.45, 0.6)

    表  1   两种硫氧化物的晶体结构参数比较

    Table  1   Comparison of crystal structure parameters of two kinds of oxysulfides

    硫氧化物 空间群 晶胞参数 密度Ρ
    (g/cm3)
    晶胞棱长a
    (nm)
    晶胞棱长b
    (nm)
    晶胞棱长c
    (nm)
    Tb2O2S P-3ml 0.3822 0.3822 0.6625 7.567
    Gd2O2S 0.3852 0.3852 0.6667 7.330
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    表  2   (LaxGd1-x)2O2S:Tb的晶粒尺寸(x=0.15,0.30,0.45,0.60)

    Table  2   Calculated crystalline size of (LaxGd1-x)2O2S:Tb phosphor (x=0.15, 0.30, 0.45, 0.60)

    荧光粉样品 晶粒尺寸(nm)
    Gd2O2S:Tb 106.2
    (La0.15Gd0.85)O2S:Tb 88.9
    (La0.30Gd0.70)O2S:Tb 50.3
    (La0.45Gd0.55 )O2S:Tb 48.5
    (La0.60 Gd0.40)O2S:Tb 37.3
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    表  3   Tb3+掺杂的Gd2O2S荧光粉以及(La0.3Gd0.7)2O2S的键长和各原子对应的价态

    Table  3   Bond length and charge of atoms of Gd2O2S:Tb and (La0.3Gd0.7)2O2S

    样品 键长(nm) 价态
    Gd-O1 Gd-O2 Gd-S Gd S O
    Gd2O2S 0.2263 0.2704 0.2859 0.95 −0.53 −0.69
    (Gd0.7La0.3)2O2S 0.2283 0.2533 0.2923 0.81 −0.56 −0.67/−0.79
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-05-06
  • 修回日期:  2024-09-22
  • 录用日期:  2024-09-25
  • 网络出版日期:  2024-11-12
  • 发布日期:  2024-11-12
  • 刊出日期:  2025-03-19

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