Sm3+/Ho3+摻雜Lu3Al5O12基熒光粉的制備與發光性能研究

杜英，田燕娜，武婷婷，柏朝暉

（長春理工大學　材料科學與工程學院，長春　130022）

（School of Materials Science and Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun，130022）

Sm3+/Ho3+摻雜Lu3Al5O12基熒光粉的制備與發光性能研究

杜英，田燕娜，武婷婷，柏朝暉

（長春理工大學材料科學與工程學院，長春130022）

采用高溫固相法制備了Sm3+/Ho3+摻雜Lu3Al5O12基熒光粉。XRD結果顯示：所合成的熒光粉具有單一相石榴石結構。熒光光譜分析表明，在藍光激發下，Lu3Al5O12：Sm3+樣品的發射光譜的峰值波長為568nm和614nm，Sm3+的最佳摻雜摩爾分數為6.3%；Lu3Al5O12：Ho3+發射光譜峰值波長為549nm，Ho3+樣品的最佳摻雜摩爾分數為4%。在Sm3+、Ho3+共摻Lu3Al5O12：Sm3+，Ho3+熒光粉中，Sm3+、Ho3+均為發光中心，樣品的發射光譜中同時出現單摻Sm3+、Ho3+的特征發射峰。可見，Lu3Al5O12：Sm3+，Ho3+可用作暖白光LED用熒光粉。

高溫固相法；Lu3Al5O12：Sm3+，Ho3+熒光粉；發光

（School of Materials Science and Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun，130022）

自1997年日亞（Nichia）公司生產出第一支商用白光二級管（Light Emitting Diode，LED）以來，白光LED的研究得到蓬勃發展［1］。近年來，白光發光二極管（LED）憑借其無污染、體積小、功耗低、壽命長、響應速度快和可靠性高等優點，在固體照明和顯示器背光源等方面顯示出了巨大的市場潛力和應用前景［2，3］。目前商用白光LED的主要實現形式是熒光轉換型，即通過藍光芯片激發黃光熒光粉（YAG∶ Ce）實現，但是YAG∶Ce熒光粉的發射光譜中缺少紅色發光成分，導致LED的色溫高、顯色性較差［4］。因此，研制具有更穩定物理化學性質并且發射光譜中含有紅光成分的熒光粉，對于改善熒光粉性能和推動白光LED的發展具有重要的價值。

Lu3Al5O12（镥鋁石榴石）具有在長期輻射條件下保持穩定的光學和物化性能等特性［5］，同時其晶體結構中可以有較大范圍的陽離子取代，使Lu3Al5O12成為一種新型的發光基質材料。施鷹等［6］采用反序滴定的共沉淀法制備了Ce3+摻雜的镥鋁石榴石超細粉體；張麗燕等［7］采用液相沉淀法制備了摻銪和摻鋱的Lu3Al5O12超細尺寸熒光粉；呂冉［8］采用共沉淀法制備了摻鐠和摻釤的Lu3Al5O12粉體。目前還未見到有關Lu3Al5O12∶Sm3+，Ho3+熒光粉發光性能研究的相關報道。因此，本文嘗試采用高溫固相法制備Sm3+/Ho3+摻雜Lu3Al5O12熒光粉，通過共摻Sm3+/ Ho3+制備發射光譜中同時含有紅光和綠光成分的Lu3Al5O12∶Sm3+，Ho3+熒光粉，為暖白光LED的制備提供熒光材料。

1　實驗

本實驗所用的原料是純度為99.99%的氧化镥（Lu2O3）、氧化釤（Sm2O3）、氧化鈥（Ho2O3）及分析純的氧化鋁（Al2O3）、氟化鋇（BaF2）和無水乙醇。按照化學式Lu3-xLnxAl5O12（Ln=Sm、Ho）計算材料配方，并稱量藥品。將稱量好的原料放在瑪瑙研缽中，加入酒精充分研磨后裝入剛玉坩堝，置于馬弗爐中燒結，于1550℃保溫3h。

2　測試

利用Rigaku（日本理學）X射線粉末衍射儀（XRD）進行物相分析，測試條件為Cu靶，管電壓40KV，工作電流20mA，Kα1輻射（λ=0.15406nm），記錄2θ為10o～80o衍射數據，來表征樣品的物相結構。采用日本島津RF-5301PC型熒光分光光度計測定樣品的激發光譜和發射光譜，激發光源為150W Xe燈，掃描速度2nm·s-1。

3　結果與討論

3.1樣品結構分析

圖 1為 Lu2.937Al5O12：0.063Sm3+，Lu2.96Al5O12：0.04Ho3+和Lu2.917Al5O12：0.063Sm3+，0.02 Ho3+的XRD圖譜。將圖中所制的單摻雜和共摻雜樣品的衍射峰數據與標準卡（JCPDS No.731368）進行對比。結果顯示，所合成樣品的XRD衍射數據與標準卡片一致，屬于立方晶系結構，空間群為Ia3d，Z= 8。表明所合成的樣品均為單一的Lu3Al5O12晶體結構，Sm3+、Ho3+已進入Lu3Al5O12晶格格位。

圖1　Lu3Al5O12：Sm，Ho的XRD圖譜

3.2Sm3+/Ho3+單摻Lu3Al5O12的熒光光譜分析

圖2為Lu2.937Al5O12：0.063Sm3+的激發和發射光譜。由圖2可見，以波長614nm作為監測波長得到的樣品的激發光譜是由位于340～500nm之間的一系列窄帶激發峰組成，在此范圍內，較強峰位于360nm，375nm，403nm，417nm，466nm及482nm，分別對應著Sm3+的6H5/2-4L7/2，6H5/2-6P5/2，6H5/2-4F7/2，6H5/2-（6P，4P）5/2，6H5/2-4G9/2和6H5/2-4I11/2的能級躍遷［9-10］。其中，位于466nm處的激發峰強度最強。在466nm光激發下，最強發射峰位于614nm，歸因于Sm3+的4G5/2-6H7/2躍遷發射［11-12］。此外，位于650nm的發射峰，歸因于Sm3+的4G5/2-6H9/2躍遷發射［11］。圖3為樣品在614nm處（λ=466nm）發射強度與Sm3+ex摻雜濃度的關系曲線，由圖可見，隨著Sm3+濃度的增加，樣品的發射峰強度先增大后減小，當Sm3+濃度為6.3%時發射峰強度最大。因此，確定Sm3+的最佳摻雜摩爾分數為6.3%

圖2　Lu2.937Al5O12：0.063Sm3+的激發光譜（a）和發射光譜（b）　

圖3　Lu3-xAl5O12：xSm3+的發射強度趨勢圖譜

圖4為樣品Lu2.96Al5O12：0.04Ho3+的激發和發射光譜。由譜線a可見，以549nm作為監測波長得到的激發光譜出現了位于361nm，446nm和463nm的三個激發峰。譜線b為446nm藍光激發下樣品的發射光譜，可以看到在549nm處出現了強的發射峰，屬于Ho3+的特征發射，對應于Ho3+的5S2+5F4-5I8能級躍遷；圖5為樣品在549nm處（λex=446nm）發射強度與Ho3+摻雜濃度的關系曲線。由圖可見，隨著Ho3+濃度的增加，樣品的發射光強度先增大后減小，當Ho3+濃度為4%時發射峰強度最大。因此，確定Ho3+的最佳摻雜摩爾分數為4%。

圖4　Lu2.96Al5O12：0.04Ho3+的激發光譜（a）和發射光譜（b）　

圖5　Lu3-xAl5O12：xHo3+的發射強度趨勢圖譜

圖6　Lu2.937Al5O12：0.063Sm3+，Lu2.96Al5O12：0.04Ho3+的激發光譜（a）和Lu2.917Al5O12：0.063Sm3+，0.02Ho3+的激發光譜（b）

圖7　Lu2.917Al5O12：0.063Sm3+，0.02Ho3+的發射光譜

3.3Sm3+/Ho3+雙摻雜Lu3Al5O12的熒光光譜分析

圖6（a）為Lu2.937Al5O12：0.063Sm3+和Lu2.96Al5O12：0.04Ho3+分別在614nm和549nm的監測波長下測試得到的激發光譜。由圖可見，樣品的激發光譜在460nm附近有重疊，說明單摻Sm3+和Ho3+的Lu3Al5O12樣品在藍光均有明顯的激發，均能與白光LED用藍光芯片的發射波長匹配良好。圖6（b）中是樣品Lu2.917Al5O12：0.063Sm3+，0.02Ho3+分別以614nm和549nm為監測波長得到的激發光譜。由圖可知，Lu2.917Al5O12：0.063Sm3+，0.02Ho3+和Lu2.937Al5O12：0.063Sm3+樣品在614nm波長光的監測下測試的激發光譜的峰形相同，激發峰的峰值位置也相同，說明雙摻Sm3+和Ho3+制備的Lu2.917Al5O12：0.063Sm3+，0.02 Ho3+樣品存在來源于Sm3+的能級躍遷；與之類似，Lu2.917Al5O12：0.063Sm3+，0.02Ho3+和Lu2.96Al5O12：0.04Ho3+樣品在549nm波長光的監測下測試的激發光譜的峰形相同，峰值位置也一樣，說明Lu2.917Al5O12：0.063Sm3+，0.02Ho3+樣品也存在著來源于Ho3+的能級躍遷。

圖 7為 460nm波長光激發下 Lu2.917Al5O12∶0.063Sm3+，0.02Ho3+樣品的發射光譜。與圖2（b）和圖4（b）對比可知，Lu2.917Al5O12：0.063Sm3+，0.02Ho3+樣品的發射光譜為單摻Sm3+和單摻Ho3+所制備Lu3Al5O12樣品發射光譜的組合，峰值位于538nm、549nm發射峰源于Ho3+的特征發射，峰值位于568nm、590nm、601nm、614nm、650nm的發射峰源于Sm3+的特征發射。綜上，說明在Lu3Al5O12基質中Sm3+和Ho3+都是發光中心。由于Lu2.917Al5O12：0.063Sm3+，0.02Ho3+樣品在460nm藍光激發下可以發出549nm的綠光和614nm的紅光，可為藍光激發LED用熒光粉提供借鑒意義。

4　結論

采用高溫固相法制備的Sm3+，Ho3+單摻雜和雙摻雜Lu3Al5O12熒光粉均具有石榴石結構的單一物相，稀土離子的引入未改變Lu3Al5O12的晶體結構特點。在藍光激發下，單摻Sm3+樣品發射峰波長為568nm和614nm，最佳摻雜濃度為6.3%；單摻Ho3+樣品發射峰波長為549nm，最佳摻雜濃度為4%；在460nm的藍光激發下，Lu3Al5O12：Sm3+，Ho3+樣品的發射光譜中含Sm3+位于614nm和Ho3+位于549nm的特征發射峰，表明Sm3+和Ho3+在基質Lu3Al5O12中都是有效的發光中心，此材料在白光LED應用中將具有很大的發展前景。

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Preparation and Luminescence Properties of Lu3Al5O12∶Sm3+，Ho3+Phosphors

DU Ying，TIAN Yanna，WU Tingting，BAI Zhaohui

The Lu3Al5O12∶Sm3+，Ho3+phosphors were synthesized by high temperature solid-state method.The results of XRD indicated that the synthesized phosphors had a single phase garnet structure.Under the excitation of blue light，the photoluminescence spectra indicated that the peak wavelengths of the emission spectrum of Lu3Al5O12∶Sm3+sample were located at 568nm and 614nm with the best Sm3+-doped content 6.3%（mole fraction），and the peak wavelength of emission spectrum of Lu3Al5O12∶Ho3+was located at 549nm with the best Ho3+-doped content 4%（mole fraction）. Both Sm3+and Ho3+were the luminescent centers in the Lu3Al5O12∶Sm3+，Ho3+phosphors，and the emission spectra of samples simultaneously appeared the characteristic emission peaks of Sm3+and Ho3+in the Lu3Al5O12host，respectively. Therefore，the Lu3Al5O12∶Sm3+，Ho3+phosphors can be used as the important phosphors for warm white LED.

high temperature solid-state method；Lu3Al5O12∶Sm3+，Ho3+phosphors；luminescence

TQ174

A

1672-9870（2016）03-0113-03

2016-01-07

國家自然科學基金（61307118）；吉林省科技發展計劃項目（20130102016JC，20130522176JH）

杜英（1994-），女，本科，E-mail：842017330@qq.com

柏朝暉（1967-），博士，教授，博士生導師，E-mail：zhaohuibai@126.com