以BaCeF5為基質(zhì)材料摻雜Tb3+光致發(fā)光研究

徐昕彤 劉 航

（吉林建筑大學(xué)，長春 130118）

以BaCeF5為基質(zhì)材料摻雜Tb3+光致發(fā)光研究

徐昕彤 劉 航

（吉林建筑大學(xué)，長春 130118）

本文主要闡述了BaCeF5:Tb3+、Sm3+的制備過程以及單摻Tb3+以BaCeF5為基質(zhì)材料在激發(fā)波長為311nm激光器監(jiān)測范圍320～450nm、450～590nm內(nèi)的下轉(zhuǎn)換發(fā)光情況，簡述觀察到的峰對應(yīng)激勵機制負責(zé)的能級躍遷。

Tb3+激發(fā)波長 下轉(zhuǎn)換發(fā)光 能級躍遷

無機熒光材料的代表為稀土離子發(fā)光及稀土熒光材料，其優(yōu)點是吸收能力強、轉(zhuǎn)換率高。由于稀土離子具有豐富的能級和4f電子躍遷特性，使稀土成為發(fā)光寶庫，在光學(xué)設(shè)備升頻器光纖放大器和傳感器等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

稀土元素是一組化學(xué)性質(zhì)很相似的元素，由鈧（21）、釔（39）、鑭(57)、镥(71)的鑭系元素等17種元素構(gòu)成。

1 基質(zhì)材料及下轉(zhuǎn)換發(fā)光

1.1 基質(zhì)材料

以BaCeF5為基質(zhì)材料，是因為氟化物體系獨特的物理性質(zhì)使其在光電領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。另外，藍光LED+YAG:Ce組合的LED的最大不足是顯色性偏低，主要是由熒光粉在熒光粉紅光區(qū)域的光度太弱。因此，改善Ce現(xiàn)有熒光粉效率來提高顯色性是目前LED的主要課題之一。

1.2 下轉(zhuǎn)換發(fā)光過程

下轉(zhuǎn)換發(fā)光過程是由一個高能光子轉(zhuǎn)化成兩個低能光子的效應(yīng)。實際應(yīng)用中主要是使發(fā)光材料吸收一個真空紫外光子而放出兩個或更多個可見光的過程。大多數(shù)的發(fā)光材料的量子效率都很低，而稀土離子激活的材料具有很高的效率，最強還會接近100%。在20世紀90年代，開始探索新的材料體系和研究下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的機理，在三價稀土離子Gd和另外一種稀土離子共摻的體系中，發(fā)現(xiàn)被真空紫外光激發(fā)到的4f7組態(tài)高能級的Gd3+，通過兩步能量傳遞把能量再次傳遞給另外一個稀土離子，放射出兩個可見光光子。

2 實驗

2.1 實驗試劑及儀器

試劑名稱：六水硝酸鋱（Tb（NO3）3·6H2O）、六水硝酸鈰（Ce（NO3）3·6H2O）、碳酸鋇BaCO3、檸檬酸C6H8O7、氟化銨NH4F、異丙醇（CH3）2CHOH。

設(shè)備名稱：電熱鼓風(fēng)干燥箱、電子分析天平、高溫箱式電阻爐、瑪瑙研缽；311nm、980nm泵浦激光器、單色儀、光電倍增管。其中，樣品稱量和光譜存儲和分析都是在室溫下進行。

2.2 樣品制備

本樣品制備方法選用的是溶劑熱法。按化學(xué)計量比準確稱取六水硝酸鋱（Tb（NO3）3·6H2O）和六水硝酸鈰（Ce（NO3）3·6H2O），加入到異丙醇（CH3）2CHOH中，攪拌成均勻的溶液。然后，再按化學(xué)計量比準確稱取氟化銨NH4F、碳酸鋇BaCO3和檸檬酸C6H8O7加入到去離子水中，攪拌成均勻溶液。將第二種溶液逐滴滴入第一種溶液中充分攪拌，最后得到一種白色混合液。把攪拌均勻后的白色混合溶液放到210℃的高溫爐持續(xù)加熱24小時，放在干燥箱干燥，最后把沉淀物研磨成粉末，最終得到了BaCeF5:Tb3+白色粉末狀材料。

2.3 BaCeF5:Tb3+發(fā)光材料XRD測試結(jié)果分析

XRD物相分析是基于多晶樣品對X射線的衍射效應(yīng)，是對樣品的存在形態(tài)進行分析測定的方法。

圖1給出了以BaCeF5為基質(zhì)材料，分別摻雜0～10mol%不同濃度的Tb3+XRD圖。圖中顯示了4個特征衍射峰且所有衍射峰對應(yīng)于立方相結(jié)構(gòu)BaCeF5的衍射峰，與標準譜圖十分吻合。圖中沒有觀察到雜峰，說明樣品中沒有其他晶相雜質(zhì)，證明樣品中稀土離子的摻雜未引起晶相的變化。

圖1 BaC eF5:0～10m ol%Tb3+樣品的XR D圖譜和JC PD S822415標準圖

2.4 光譜測量

311nm泵浦激光器所發(fā)出的激光通過透鏡聚焦到BaCeF5:Tb3+樣品上，發(fā)射出的光進入到單色儀的入射狹縫，單色儀的出射狹縫與光電倍增管相連，光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺詈笥捎嬎銠C進行數(shù)據(jù)儲存和分析，所有的操作在室溫下進行。

3 結(jié)果和討論

圖2（a）、（b）為激勵波長為311nm，監(jiān)測范圍320～450nm、450～590nm下的BaCeF5:0～10mol%Tb3+的下轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜。

圖2 下轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜

在圖2（a）中可以看到，寬帶的發(fā)射峰位于320nm紫色寬帶發(fā)射峰，屬于Ce3+的5d→4f躍遷發(fā)射；隨著Tb3+濃度的增加，Ce3+的寬帶峰峰值強度隨之降低，說明Ce3+與Tb3+之間有很好的能量傳遞。從圖2（b）可以看出,位于495nm、546nm、585nm處的衍射峰值。當(dāng)Tb3+濃度為0mol%時，衍射峰峰值沒有，說明這些衍射峰不屬于Ce3+的躍遷，而是屬于Tb3+5D4→7F6，5D4→7F5，5D4→7F5能級的躍遷。同時，可以清楚觀察到綠色衍射峰峰值最強光強最明顯。另外，從圖2（b）中可以看出，隨著Tb3+濃度的增大，各個衍射峰的峰值強度隨之增大。當(dāng)Tb3+濃度為8mol%時達到最強，隨著Tb3+濃度進一步增大，各個衍射峰峰值強度反而下降。因為隨著Tb3+濃度進一步增加，發(fā)生了濃度淬滅現(xiàn)象。可以判斷在BaCeF5:Tb3+樣品中，Tb3+的最佳摻雜摩爾濃度為8mol%。

由于視覺對紫外和近紫外的不敏感性，白光LED的顏色主要依賴于熒光粉。所以，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)所得Tb3+的摻雜主要引起了藍、綠色衍射峰的光譜發(fā)射，這為今后白光LED器件的顏色穩(wěn)定、高顯色性和高顯色指數(shù)提供了方案。

4 總結(jié)

本文詳細記述了以BaCeF5:Tb3+樣品制備的過程，并通過反復(fù)實驗確定最佳的Tb3+濃度。以BaCeF5為基質(zhì)材料監(jiān)測波長為311nm，監(jiān)測范圍320～450nm、460～590nm的發(fā)射光譜，確定寬帶發(fā)射峰對應(yīng)衍射峰值320～380nm處屬于Ce3+的能級躍遷，而495nm、546nm、585nm處的衍射峰值屬于Tb3+的能級躍遷，并確定Tb3+濃度為8mol%時衍射峰峰值最強，且綠色衍射峰峰值最強光強最明顯。

[1]洪廣言.稀土發(fā)光材料——基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[2]盛天琪.基于能量傳遞的稀土摻雜微納米發(fā)光材料的制備及其發(fā)光特性研究[D].長春：吉林大學(xué)，2013.

Study of BaCeF5based on Tb3+as Matrix Material

XU Xintong,LIU Hang
(Jilin Architectural University, Changchun 130118)

This paper mainly elaborates the preparation process of BaCeF5: Tb3+、Sm3+Meanwhile, it monitors how down conversion works, when Tb3+ droping BaCeF5 as the substrate material, under the laser wavelength of λex=311nm with the monitoring range from320 to 450nm、450-590nm. Then it illustrates briefly how peaks ascribe to energy transitions of corresponding excitation mechanism.

trivalent terbium ions, laser wavelength,down conversion,energy transitions