Eu3＋摻雜Sr3RAl2O7.5（R＝Y，Lu）粉末的發光性質

于立軍，李 冰，楊繼凱

（長春師范大學物理學院，吉林長春130012）

Eu3＋摻雜Sr3RAl2O7.5（R＝Y，Lu）粉末的發光性質

于立軍，李 冰，楊繼凱

（長春師范大學物理學院，吉林長春130012）

通過分解硝酸鹽的方法制備了Eu3＋摻雜Sr3RAl2O7.5（R＝Y，Lu）的粉末，并在紫外光激發下對2種樣品的激發光譜和發射光譜進行了研究.結果表明：Eu3＋在不同局域環境下表現出不同的發光特性；改變基質成分能調節稀土離子Eu3＋的發光特性.

發光；稀土離子；Sr3YAl2O7.5；Sr3LuAl2O7.5

目前，稀土離子摻雜的材料廣泛應用到彩色顯示器、光信息存儲、生物醫療、溫度傳感器等光學設備上［1－2］.該類氧化物具有高化學穩定性、良好的熱穩定性以及與稀土離子結合穩定等特殊優點，因此，稀土離子摻雜氧化物材料的發光性能得到了人們廣泛關注［3－6］.

由于稀土離子Eu3＋在紅光區域具有很強的發射帶［7－13］，因此Eu3＋摻雜材料廣泛應用到熒光燈和彩色TV監控器上.另外，光學活性稀土離子的基質環境對光學躍遷產生重要的影響［14］.對于Sr3YAl2O7.5和Sr3LuAl2O7.5的化合物，盡管它們具有相同的空間結構，但是Lu3＋半徑略小于Y3＋半徑，這將導致基質環境具有很大的不同.Y的氧化物價帶能級主要是氧的2p軌道構成，而Lu的氧化物價帶頂主要由Lu的4f軌道構成［15－17］，因此稀土離子摻雜在相同空間結構的Sr3YAl2O7.5和Sr3LuAl2O7.5氧化物中的發光性質必然不同.我們曾經在Yb3＋／Ho3＋共摻雜的Sr3RAl2O7.5（R＝Y，Lu）的材料中，發現Ho3＋在這2種基質材料中表現出完全不同的上轉換發光性能［18］.但是關于Eu3＋摻雜Sr3RAl2O7.5（R＝Y，Lu）材料的下轉換發光性能的研究未見報道.因此，本文通過分解硝酸鹽的方法獲得了Eu3＋摻雜Sr3RAl2O7.5（R＝Y，Lu）的粉末，研究了Eu3＋在這2種基質材料中的下轉換發光性能.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

試劑：Al（NO3）3·9H2O，Y2O3，Lu2O3，Sr2CO3，Eu2O3和HNO3均為分析純；硝酸鹽通過相應的氧化物和稀硝酸反應合成.

儀器：JSM－5600LV掃描電鏡（SEM）；D－500XRD儀；氙燈激發源的HITACHI F－4500熒光光譜儀.

1.2 實驗過程

在硝酸鹽溶液中根據Sr3R0.99Eu0.01Al2O7.5（R＝Y，Lu）的組成進行配制，然后將配制好的溶液放入柄皿中加熱蒸發1h，發現溶液變成黃色凝膠.在400℃溫度下將得到的黃色凝膠恒溫加熱2h，然后再升溫至1 200℃，恒溫燒結10h，得到Eu3＋摻雜Sr3YAl2O7.5和Sr3LuAl2O7.5白色粉末樣品.

2 結構與討論

2.1 XRD和SEM

Eu3＋摻雜Sr3RAl2O7.5（R＝Y，Lu）粉末的XRD譜見圖1.從圖1可以看到Sr3YAl2O7.5和Sr3LuAl2O7.5的特征衍射峰，沒有觀測到其他氧化物雜質峰，這說明我們已經合成了Eu3＋摻雜Sr3RAl2O7.5（R＝Y，Lu）的樣品.Eu3＋摻雜Sr3RAl2O7.5（R＝Y，Lu）粉末的SEM照片見圖2.從圖2中看出2個樣品中的粒子均沒有規則的形狀，并且都有粒子團聚現象存在.另外，發現Eu3＋摻雜Sr3LuAl2O7.5樣品中形成的團聚粒子比Eu3＋摻雜Sr3YAl2O7.5樣品中形成的團聚粒子小.

圖1 Eu3＋摻雜Sr3RAl2O7.5（R＝Y，Lu）粉末的XRD譜

圖2 Eu3＋摻雜Sr3RAl2O7.5（R＝Y，Lu）粉末的SEM照片

2.2 發射光譜

在248nm激光激發下，Eu3＋摻雜Sr3YAl2O7.5粉末的發射光譜見圖3a.在242nm激光激發下Eu3＋摻雜Sr3LuAl2O7.5的發射光譜見圖3b.在2種樣品中，都觀測到530～545nm，575～585nm，585～604nm和604～640nm波段的光譜發射帶.這些發射帶都是Eu3＋的特征發射峰，分別由Eu3＋能級5D1→7F1，5D0→7F0，5D0→7F1和5D0→7F2之間的躍遷產生的.

圖3 Eu3＋摻雜Sr3RAl2O7.5（R＝Y，Lu）粉末的發射光譜

2種基質材料中的能級躍遷波長見表1.由表1可見：對于Eu3＋的能級5D0→7F1的躍遷而言，Eu3＋摻雜Sr3YAl2O7.5樣品顯示4個躍遷波長，對應于585～604nm譜帶的4個分裂峰.實際上能級5D0→2L＋1FJ的躍遷過程中最大分裂數為2J＋1［19－20］.因此，能級5D0→7F1的躍遷最大分裂數為應為3.然而在實驗結果中，能級5D0→7F1的躍遷過程中分裂峰的數值為4，大于最大分裂數3.表明Eu3＋在基質Sr3YAl2O7.5中可能占據了不同晶格位置.

表1 2種基質材料中Eu3＋的5D1→7F1，5D0→7F0，5D0→7F1和5D0→7F2能級躍遷波長nm

Eu3＋的能級5D0→7F1躍遷是磁偶極躍遷，受到基質環境影響較弱.能級5D0→7F2躍遷是電偶極躍遷，受到基質環境影響較強［21－22］.我們能從圖3中看到Eu3＋摻雜Sr3YAl2O7.5樣品最強發射峰為能級5D0→7F2的電偶級躍遷，它位于612nm處［23］.然而Eu3＋摻雜Sr3LuAl2O7.5樣品最強的發射峰為能級5D0→7F1的磁偶極躍遷，它位于592nm處［24］.Eu3＋在基質材料中局域配位環境情況可以通過Eu3＋的電偶極躍遷和磁偶極躍遷的整體積分強度比（I（5D0→7F2）／I（5D0→7F1））獲得［21－22］.從圖3中2種材料的發射譜中發現，獲得了Eu3＋摻雜Sr3YAl2O7.5樣品的I（5D0→7F2）／I（5D0→7F1）比值為1.66.另外，Eu3＋摻雜Sr3LuAl2O7.5樣品的I（5D0→7F2）／I（5D0→7F1）比值為1.03.這表明前者的電偶極躍遷強于后者的，也表明了Sr3YAl2O7.5比Sr3LuAl2O7.5對稱性更差.證明了基質環境對稀土離子的發光特性產生影響，隨著基質材料的不同，最強發射峰值出現變化，可以通過選擇基質材料的成分來調節發光顏色.

2.3 激發光譜

為了進一步探索Eu3＋摻雜Sr3YAl2O7.5和Sr3LuAl2O7.5基質在局域環境的不同的激發光譜，分別測試了612nm監測的Eu3＋摻雜Sr3YAl2O7.5和592nm監測的Eu3＋摻雜Sr3LuAl2O7.5的激發光譜（見圖4）.這2種樣品的激發帶都在220～285nm波段范圍內，此激發帶是由O2－→Eu3＋的電荷遷移而產生的.對于O2－→Eu3＋電荷遷移帶，在Eu3＋摻雜Sr3YAl2O7.5樣品中存在248，269，273，和282nm 4個峰，在Eu3＋摻雜Sr3LuAl2O7.5樣品中存在242，264，272和282nm 4個峰.所有這些峰均屬于O2－到Eu3＋的電荷遷移帶［25－26］.

圖4 Eu3＋摻雜Sr3RAl2O7.5（R＝Y，Lu）的激發光譜

4 結論

本文通過硝酸鹽分解的方法制備Eu3＋摻雜Sr3RAl2O7.5（R＝Y，Lu）的粉末.Eu3＋在具有相同空間結構的Sr3YAl2O7.5和Sr3LuAl2O7.5基質中，在處于不同的局域環境中，發光特性完全不同.根據能級躍遷5D0→7F1和5D0→7F2的比值得出了Eu3＋在Sr3YAl2O7.5中的對稱性比在Sr3LuAl2O7.5中低.說明Eu3＋摻雜Sr3YAl2O7.5樣品中比摻雜Sr3LuAl2O7.5的發光更強.因此，可以通過改變基質材料的組成而改變發光特性，這對開發和設計新穎的發光材料具有重要的意義.

［1］ YANG JIANHU，ZHANG LIYANG，WEN LEI.Optical transitions and upconversion luminescence of Yb3＋／Er3＋－codoped halide modified tellurite glasses［J］.J Appl Phys，2004（95）：3020－3026.

［2］ LIM S F，RIEHN R，RYU W S.In vivo and scanning electron microscopy imaging of upconverting nanophosphors in caenorhabditis elegans［J］.Nano Lett，2006，6：169－174.

［3］ YANG LINMEI，SONG HONGWEI，YU LIXIN.Unusual power－dependent and time－dependent upconversion luminescence in nanocrystals Y2O3∶Ho3＋／Yb3＋［J］.J Lumin，2006，116：101－106.

［4］ LIU M，WANG S W，ZHANG J.Dominant red emission（4F9／2→4I15／2）via upconversionin YAG（Y3Al5O12）∶Yb3＋，Er3＋nanopowders［J］.Opt Mater，2007，29：1352－1357.

［5］ LI XUJIE，NIE QIUHUA，DAI SHIXUN.Investigation of energy transfer and frequency upconversion in Ho3＋／Yb3＋codoped tellurite glasses［J］.J Phys Chem Solids，2007，68：1566－1570.

［6］ ZHOU LIYA，SHI JIANXIN，GONG MENGLIANG.Preparation of SrR2O4∶Eu3＋（R＝Y，Lu）phosphor and itsphotoluminescence properties［J］.Mater Lett，2005，59：2079－2084.

［7］ HINTZEN H.T，VAN KREVEL J W H，DE GRAAF D.Evidence for the presence of Eu2＋in（Y，Eu）—Si—Al—O—N glass by luminescence spectroscopy［J］.J Mater Sci，2004，39（6）：2237－2238.

［8］ ARK W，SUMMERS C J，DO Y R.Photoluminescence properties of red emitting BaGdB（9）O（16）∶Eu phosphor［J］.J Mater Sci，2002，37：4041－4045.

［9］ MORAIS E A，SCALVI L V A，TABATA A.Photoluminescence of Eu3＋ion in SnO2obtained by sol－gel［J］.J Mater Sci，2008，43（1）：345－349.

［10］ KOUSUKE SHIOI，HIROSAKI NAOTO，XIE RONGJUN.Luminescence properties of SrSi6N8∶Eu2＋［J］.J Mater Sci，2008，43（16）：5659－5661.

［11］ BOL A A，MEIJERINK A.Long－lived Mn2＋emission in nanocrystalline ZnS∶Mn2＋［J］.Phys Rev B，1998，58（24）：15997－16000.

［12］ TERNANE R，TRABELSI－AYEDI M，KBIR－ARIGUIB N.Luminescent properties of Eu3＋in calcium hydroxyapatite［J］.J Lumin，1999，81（3）：165－170.

［13］ SONG HONGWEI，CHEN BAOJIU，SUN BBAOJUAN.Ultraviolet light－induced spectral change in cubic nanocrystalline Y2O3：Eu3＋［J］.Chem Phys Lett，2003，372（3）：368－372.

［14］ PATRA A，SAHA S，ALENCAR M A R C.Blue upconversion emission of Tm3＋－Yb3＋in ZrO2nanocrystals role of Yb3＋ions［J］.Chem Phys Lett，2005，407：477－481.

［15］ MAUNIER C，DOUALAN J L，MONCORGE R.Spectroscopic characterization，and laser performance of Nd∶LuVO4，a new infrared laser material that is suitable for diode pumping［J］.J Opt Soc Am B，2002，19（8）：1794－1800.

［16］ SIDORENKO A V，BOS A J J，DORENBOS P.Storage effect in LiRESiO4∶Ce3＋，Sm3＋，RE＝Y，Lu phosphor［J］.Nucl Instr and Meth A，2005，537：81－85.

［17］ KORZHIK M V，LECOQ P.Physics of scintillation in REAlO3∶Ce3＋（RE＝Y，Lu）［J］.Nucl Instr and Meth A，2005，537：40－44.

［18］ YANG JIKAI，DING JIANWEN，XIAO SIGUO.Luminescence properties of Yb3＋／Ho3＋co－doped Sr3YAl2O7.5and Sr3LuAl2O7.5powders［J］.J Alloys Compd，2013，577：86－89.

［19］ ZHOU LIYA，SHI JIANXIN，GONG MENGLIAN.Red phosphor SrY2O4∶Eu3＋synthesized by the sol－gel method［J］.J Lumin，2005，113：285－290.

［20］ MALTA O L，BRITO H F，MENEZES J F S.Spectroscopic properties of a new light－converting device Eu（thenoyltrifluoroacetonate）32（dibenzyl sulfoxide）.A theoretical analysis based on structural data obtained from a sparkle model［J］.J Lumin，1997，75（3）：255－268.

［21］ REISFELD R，GREENBERG E，BROWN R N.Fluorescence of europium（Ⅲ）in a flouride glass containing zirconium［J］.Chem Phys Lett，1983，95（2）：91－94.

［22］ ZAHIR M，OLAZCUAGA R，PARENT C.A structural interpretation of the Pb2＋，Eu3＋and Nd3＋optical spectra in doped sodium borate glasses［J］.J Non－Cryst Solids，1985，69：221－229.

［23］ GAO J H，LI R K.Preparation，structure and luminescent properties of a new potassium yttrium borate K3Y3（BO3）4［J］.Mater Res Bull，2008，43：882－888.

［24］ LI XIAOXIA，WANG YUHUA，CHEN ZHONG.Photoluminescence properties of GdBa3B9O18∶Ln3＋（Ln＝Eu，Tb）under UV and VUV excitation［J］.J Alloys Compd，2008，453（1／2）：392－394.

［25］ FU ZUOLING，ZHOU SHIHONG，YU YINGNING.Photoluminescence properties and analysis of spectral structure of Eu3＋－doped SrY2O4［J］.J Phys Chem B，2005，109（49）：23320－23325.

［26］ FU ZUOLING，ZHOU SHIHONG，ZHANG SIYUAN.Preparation and optical properties of trivalent europium－doped bulk and nanocrystalline SrY2O4［J］.J Opt Soc Am B，2006，23（9）：1852－1858.

Luminescence properties of Sr3RAl2O7.5∶Eu3＋（R＝Y，Lu）powders

YU Li－jun，LI Bing，YANG Ji－kai
（College of Physics，Changchun Normal University，Changchun 130012，China）

Sr3YAl2O7.5∶Eu3＋and Sr3LuAl2O7.5∶Eu3＋powders have been prepared by nitricdecomposition method.the excitation and emission spectra of the two samples are discussed.Some different luminescence characteristics were observed in the two samples，which could be ascribed to the distinct local environment of Eu3＋ions.The results reveal that the luminescence properties of Eu3＋can be modulated bychangingthe host composition.

luminescence；rare earth；Sr3YAl2O7.5；Sr3LuAl2O7.5

O 482.3 ［學科代碼］ 140·30

A

（責任編輯：石紹慶）

1000－1832（2015）02－0079－04

10.16163／j.cnki.22－1123／n.2015.02.016

2015－01－12

國家自然科學基金資助項目（61404010）；吉林省教育科學規劃課題（GH13300）.

于立軍（1958—），男，副教授，主要從事光譜學研究及半導體光電器件研究.