NaGd（MoO4）2∶Tb3+熒光粉的溫度及濃度依賴發光與熒光動力學溫度傳感

白海斌，陳 昕，沙雪竹，高 端，張映輝，張翔清，陳寶玖

（大連海事大學 理學院，遼寧 大連 116026）

1 引 言

稀土離子具有獨特的核外電子排布決定其具有特殊的光譜性質。稀土離子摻雜的無機發光材料是發光材料家族的重要成員，也是發光材料領域中備受重視的研究方向。這是因為稀土離子摻雜的無機發光材料在激光光源、光學通訊、生物醫學、光學防偽、太陽能電池、現代照明和顯示等領域具有廣泛的應用[1-8]。

Tb3+是重要的稀土離子發光中心，其4f-5d 躍遷的吸收截面大，因此可被紫外光有效激發，其發射以5D4到7F5躍遷為主，波長在550 nm 附近，且發射線寬較窄，是理想的綠色發射中心[9-11]。除了作為下轉移發光材料的發光中心外，在Tb3+與Yb3+共摻雜的無機材料中，Tb3+還是Yb3+敏化的上轉換發光中心[12-13]及Yb3+量子剪裁發光材料的敏化中心[14-16]。由此可見，稀土離子Tb3+摻雜材料不僅具有實際應用價值，還具有基礎研究意義。

稀土離子摻雜發光材料的性質一方面由其本身的屬性所決定，另一方面受到容納稀土離子中心的基質材料的影響。稀土離子摻雜無機發光材料的基質從化學組成上可分為氧化物、氟化物、鹵化物、氮化物及各種鹽類化合物；從組成基質的原子排列上可分為多晶材料、單晶材料和非晶材料（陶瓷和玻璃）[17]。在這些種類的基質材料中，稀土鎢酸鹽和鉬酸鹽基質占有重要的地位，這是因為稀土鎢酸鹽和鉬酸鹽的物理化學性質穩定，它們的單晶和多晶材料的合成都比較容易。相比之下，稀土離子在它們中的輻射躍遷速率較大，稀土離子發光中心的溶解度高，因此，稀土離子摻雜的鎢酸鹽和鉬酸鹽材料受到廣泛重視和研究[18-19]。

本文主要研究了Tb3+摻雜的NaGd（MoO4）2熒光粉發光的濃度和溫度效應及溫度傳感性質。采用 X 射線衍射對產物的晶體結構進行了分析，研究了摻雜濃度對熒光性能的影響，對Tb3+的5D4能級熒光動力學進行了研究，并對熒光動力學溫度傳感的絕對和相對靈敏度進行了分析。

2 實 驗

2.1 樣品制備

制備樣品所采用的基質原料為光譜純的Gd2O3、分析純的Na2CO3和MoO3，摻雜離子Tb3+通過Tb（NO3）3·6H2O 試 劑 引 入。商 品Tb（NO3）3·6H2O 試劑多存在風化效應，也就是試劑中部分結晶水脫出，試劑表觀上出現白色粉末。風化后試劑的使用會使合成樣品的實際摻雜濃度與設計濃度存在較大差別，也可能導致不能生成期望的純相樣品。為此，本實驗中以光譜純Tb4O7粉體試劑為原料，采用重結晶技術自行制備了Tb（NO3）3·6H2O 粉體作為合成NaGd（MoO4）2∶Tb3+熒光粉的原料。所制備的樣品的 Tb3+的設計摻雜摩爾分數為x%（x=0,0.5,1,5,10,20,50），這一濃度是指NaGd-（MoO4）2中有x%摩爾的Gd3+被Tb3+所取代。首先，計算獲得3 g 目標樣品所需的各原料的質量，然后根據計算的質量稱量每一種原料。將稱量好的原料放入瑪瑙研缽中充分研磨，直到混合均勻。再將混合均勻的原料置于坩堝中，并將坩堝放入高溫馬弗爐中，在1 000 ℃條件下煅燒4 h。最后，馬弗爐自然冷卻到室溫后取出樣品，將取出樣品繼續研磨5 min，即獲得NaGd（MoO4）2∶Tb3+熒光粉。

2.2 樣品表征

采用日本島津公司X 射線衍射儀（XRD-6000）鑒定所制備熒光粉樣品的晶體結構，該儀器的X 射線輻射源為Cu 靶的 0.154 6 nm 波長Kα 輻射，測試工作電壓為40 kV，工作電流為30 mA，2θ角的掃描范圍為10°~75°。采用日本日立公司生產的F-4600 熒光光譜儀測量樣品的激發和發射光譜，利用該光譜儀配置的150 W 連續氙（Xe）放電燈作為激發光源，該儀器光譜分辨率為0.1 nm。采用愛丁堡分光熒光光譜儀FLS 1000 測量樣品的熒光衰減，激發源為微秒閃光燈，其平均能量60 W，脈寬1.5~2.5 μm，重復頻率為0.1~100 Hz。采用自制加熱控溫系統對樣品進行加熱，系統在測試前已進行溫度校準，溫度測量精度優于±0.5 ℃。

3 結果與討論

3.1 樣品晶體結構分析

為了對合成樣品的晶體結構和相純度進行分析，我們測量了不同Tb3+摻雜濃度樣品的X 射線衍射圖樣，結果如圖1（a）所示。圖中衍射圖樣從下至上對應樣品的摻雜濃度依次增加。從圖中可以看出，所有樣品的各個衍射峰與NaGd（MoO4）2粉末標準卡片的相應衍射峰的2θ角位置吻合，并且衍射圖樣中沒有觀察到源于其他物質的衍射峰。這說明所制備的樣品均為純相NaGd（MoO4）2粉末，同時也說明Tb3+離子的摻雜沒有導致樣品晶體結構的改變。圖1（b）為2θ衍射角在29°附近的衍射峰放大后的圖樣，從圖中可以看出，隨著Tb3+離子摻雜濃度的增加，該衍射峰的中心2θ角位置沒有表現出單調的增加或減小，這可能是由NaGd（MoO4)2的特殊結構所決 定的。圖1（c）為NaGd（MoO4）2的晶胞結構示意圖，NaGd（MoO4）2是雙白鎢礦結構，其晶體結構是由單白鎢礦CaMoO4結構中Na+∕Gd3+隨機取代Ca2+而演化形成，一個單包包含兩個NaGd（MoO4）2分子，其空間群為I41∕a（88），任意一個Gd3+離子周圍有4 個陽離子，其中3 個為Na+∕Gd3+，一個為Mo6+[20-23]。

圖1 （a）不 同Tb3+濃 度 摻 雜 的NaGd（MoO4）2 熒 光 粉 的XRD 圖樣；（b）29°附近衍射峰放大圖樣；（c）NaGd-（MoO4）2晶胞結構示意圖。Fig.1 （a）XRD patterns of NaGd（MoO4）2 phosphors with different Tb3+ concentrations.（b）Enlarged diffraction peakes at 29°.（c）Schematic illustration of the NaGd-（MoO4)2 unit cell structure.

3.2 穩態熒光光譜性質的濃度依賴

發光中心摻雜濃度是影響其發光性質的重要因素，本節探討Tb3+的摻雜濃度對NaGd（MoO4）2∶Tb3+樣品穩態發光特性的影響，也就是在恒定的激發下發光強度隨摻雜濃度的變化。監測Tb3+的546 nm 發射（對應最強躍遷5D4→7F5）測量了激發光譜，圖2（a）為測得的不同摻雜濃度樣品的激發光譜。可以看出，激發譜主要包含一個寬帶和一個窄帶，位于200~350 nm 范圍內峰值波長約為277 nm 的寬帶可指認為Mo-O 電荷遷移帶和Tb3+的4f5d 帶的疊加，中心位于487 nm 的窄帶對應于Tb3+離子的7F6→5D4躍遷。從圖中可以看出，隨著Tb3+濃度的增加，兩個激發帶的強度先增加，在20%濃度時達到最強，然后減小。

圖2 （a）監測546 nm 發射時不同Tb3+摻雜濃度NaGd-（MoO4）2 熒 光 粉 的 激 發 光 譜；（b）不 同 濃 度NaGd-（MoO4）2∶Tb3+熒光粉在277 nm 激發下的發射光譜；（c）5D4→7F5的發射積分強度與Tb3+離子摻雜濃度的關系。Fig.2 （a）Excitation spectra of Tb3+ doped NaGd（MoO4）2 phosphors measured by monitoring 546 nm emission.（b）Emission spectra for Tb3+ doped NaGd（MoO4）2 phosphors under 277 nm excitation. （c）Dependence of normalized 5D4→7F5 emission intensity on Tb3+ doping concentration.

為了研究NaGd（MoO4）2∶Tb3+熒光粉的發射光譜性質，采用277 nm 激發測量了不同摻雜濃度的NaGd（MoO4）2∶Tb3+熒光粉的發射光譜，測量的光譜范圍為450~670 nm，結果如圖2（b）所示。從圖中可以看出，在277 nm 激發下樣品的發射光譜中主要包括5D4到7FJ（J=0~6）的7 個躍遷，其中4 個較強的發射峰分別為Tb3+離子的5D4→7F6（487 nm）、5D4→7F5（546 nm）、5D4→7F4（587 nm）、5D4→7F3（622 nm）躍遷，另外較弱的3 個躍遷分別為5D4→7F2（654 nm）和5D4→7F1,0（673 nm，681 nm）。圖2（b）中的插圖為三個較弱發射光譜的放大圖。從圖2（b）可以看出，隨著Tb3+離子摻雜濃度的增加，NaGd（MoO4）2∶Tb3+熒光粉的發光強度先增加，在Tb3+離子濃度為20%時，發光強度達到最大值；當繼續增加摻雜濃度時，樣品的發光強度減小，發生濃度猝滅現象。對于Tb3+摻雜的熒光粉體系，這種濃度猝滅行為一般認為是由于磁偶極相互作用（即交換相互作用）所導致，這種相互作用是近程弱相互作用，因此猝滅濃度（取得最大發光強度時的摻雜濃度）一般較高，例如本文研究的NaGd-（MoO4）2∶Tb3+熒光粉的猝滅濃度約為20%。高的猝滅濃度主要是由于Tb3+離子的能級結構簡單，不存在與源于5D4能級的發射能量相匹配的其他躍遷，因此，激發能量只能在Tb3+離子的5D4能態上遷移。如果這種遷移是電多極相互作用，會導致猝滅濃度非常低。這是因為電多極相互作用是遠程強相互作用，由于這種遷移過程的吸收和發射截面幾乎完全交疊，所以傳遞速率會非常大，必將導致處于激發態5D4的Tb3+將能量傳遞到猝滅中心的速率非常大[24-25]。

為了定量分析NaGd（MoO4）2∶Tb3+熒光粉5D4發光的濃度猝滅行為，我們計算了5D4→7F5（546 nm）發射的積分強度，圖2（c）中實心圓點為歸一化5D4→7F5發射強度對濃度的依賴關系。Ozawa研究指出，對于發光中心間通過交換相互作用產生的自濃度猝滅體系，其發光強度與摻雜濃度存在如下經驗關系[26]：

其中，I(C)是摻雜濃度為C的樣品的穩態發光強度，K為與研究體系和測量系統相關的常數，C為用摩爾分數表示的發光中心的濃度，Z為發光中心最近鄰陽離子數。利用公式（1）對圖2（c）中數據進行非線性擬合，得到圖2（c）中的連續曲線，可以看出公式（1）能夠很好地擬合實驗曲線。此外，通過擬合確定Z值約為3.8，說明發光中心Tb3+在NaGd（MoO4）2中 存 在 與 其 最 近 鄰 的4 個 陽離子，這與實際情況是一致的。以上分析表明Tb3+摻雜的NaGd（MoO4）2熒光粉自濃度猝滅是由發光中心間交換相互作用所導致。

3.3 熒光動力學的濃度效應

發光材料的熒光壽命或余輝時間是表征發光材料的重要參數，這些參數可以通過熒光和余輝動力學測量進行表征。為了認識Tb3+摻雜NaGd-（MoO4）2熒光粉動力學性質及其摻雜濃度效應，在487 nm（7F5→5D4）激發下測量了不同Tb3+濃度樣品546 nm（5D4→7F5）發射的衰減曲線，結果如圖3（a)中離散數據點所示。從圖中可以看出，不同Tb3+濃度摻雜樣品的熒光衰減實驗曲線在單對數坐標系下均表現為直線，即是單指數衰減行為，這也說明了Tb3+間的相互作用是交換相互作用，而非I-H 模型描述的電多極相互作用的非指數衰減[27]。用單指數函數對熒光衰減實驗曲線進行擬合，擬合曲線如圖3（a）中連續直線所示，通過擬合得到Tb3+摻雜濃度為0.5%、1%、5%、10%、20%、50%時NaGd（MoO4）2∶Tb3+熒光粉5D4能級的熒光壽 命 分 別 為0.48，0.47，0.46，0.45，0.41，0.21 ms。圖3（b）中的離散數據點給出了熒光壽命與摻雜濃度的關系，可以看出，隨著Tb3+摻雜濃度的增加，壽命逐漸減小。Auzel 把這種行為定義為自產生猝滅，并建立了自產生猝滅體系的熒光壽命與摻雜濃度之間的關系，這一關系用數學公式表示為[28]

圖3 （a）487 nm 激發下不同濃度樣品5D4 能級的衰減曲線；（b）Tb3+離子5D4 能級平均壽命與摻雜濃度的關系。圖中離散點為實驗數據，實曲線為擬合曲線。Fig.3 （a）Fluorescence decays of 5D4 level for the samples with different concentrations.（b）Relation between 5D4 fluorescence lifetime and concentration. Here the dispersed data points indicate the experimental data and the solid curves show the fitting curves.

其中，τ(C)為濃度為C時樣品的熒光壽命，τ0為摻雜濃度接近0 時的熒光壽命，C0為與濃度具有相同量綱的常數，N為通過級聯多聲子過程猝滅所研究能級熒光而產生的聲子數。利用公式（2）對圖3（b）中的實驗數據進行擬合，通過擬合確定τ0值為0.42 ms，確定N值為7.78。由于Tb3+的5D4能級與7F0能級間的距離約為14 700 cm-1，而鉬酸鹽的最大聲子能量約為1 900 cm-1[29]，因此N的理論值約為7.7。可見從實驗數據擬合得到的N值與其理論值非常接近，說明自產生猝滅模型能夠很 好 地 解 釋Tb3+摻 雜NaGd（MoO4）2熒 光 粉5D4壽命對濃度的依賴關系。

3.4 熒光熱猝滅與動力學溫度傳感

溫度是影響發光材料光譜和動力學性質的重要因素，發光材料的溫度猝滅特性是評價其性能的重要方面。因此，揭示熒光粉發光強度及熒光衰減特性對溫度的依賴規律對于開發新型高性能熒光粉和指導熒光粉的實際應用具有重要意義。為了揭示溫度對NaGd（MoO4）2∶20%Tb3+熒光粉的光譜及動力學性質的影響規律，本文測量了303 ~483 K 溫度范圍內的發射光譜和熒光衰減曲線，并對實驗數據進行了深入分析。

圖4（a）為樣品NaGd（MoO4）2∶20%Tb3+在溫度303~483 K 范圍內，在277 nm 激發下每間隔30 K測量得到的發射光譜。從圖中可以看出，當溫度較低時，樣品的發射與室溫下發射譜接近，包含了從5D4到7FJ（J=0~6）的所有發射；隨著樣品溫度的逐漸升高，所有發射峰強度均降低，而且發射較弱的發射峰強度在較高溫度下幾乎測量不到，說明NaGd（MoO4）2∶20%Tb3+熒光粉的溫度 猝滅明顯。為了定量研究發光強度的溫度猝滅行為，計算了樣品5D4→7F5發射峰的積分強度，圖4（b）中實心圓點為5D4→7F5積分發射強度與溫度關系曲線，該實驗結果表明5D4→7F5發光強度隨溫度的增加單調減小。由于5D4能級與其下邊最近鄰的7F0能級的間距較大，因此認為該能級在不太高的溫度下的熱猝滅是由橫向竄越（Crossover）過程所導致。如圖4（c）所示，隨著溫度的升高，Tb3+由5D4能級的低能振動態熱布居到5D4能級的高能振動態的比例增大，因此導致Tb3+由組態交點A 竄越進入4f5d 態或者Mo-O 電荷遷移帶的比例增加。進入這兩個態的Tb3+離子可以通過與其組態的交點B 進入7F6能級，從而引起5D4能級熒光熱猝滅。對于這樣的過程，其發光強度隨溫度變化由下式表示[29]

圖4 （a）277 nm 激發時不同溫度下NaGd（MoO4）2∶20%Tb3+熒光粉的發射光譜；（b）5D4→7F5 的發射積分強度與樣品溫度的關系；（c）橫向竄越過程示意圖。Fig.4 （a）Emission spectra for NaGd（MoO4）2∶20%Tb3+phosphor measured under 277 nm excitation at different temperatures.（b）Relation between emission intensity of 5D4→7F5 transition.（c）Sketch of crossover process.

其中,I0為溫度接近0 K 時樣品的發光強度，I(T)為溫度為T時樣品的發光強度，C是與溫度無關的常數，K是玻爾茲曼常數，ΔE是熱猝滅過程的激活能。利用公式（3）對圖4（b）中的實驗數據進行非線性擬合，得到的擬合曲線如圖中連續實線所示，可以看出公式（3）與實驗結果符合得非常好，說明橫向竄越過程能夠很好地解釋Tb3+摻雜NaGd（MoO4）2熒 光 粉 發 光 的 溫 度 猝 滅 行 為。此外，通過擬合確定了參數ΔE值為0.37 eV。

不同樣品溫度時，在277 nm 激發下NaGd-（MoO4）2∶20%Tb3+熒光粉5D4→7F5（546 nm）發射的衰減曲線如圖5（a）所示。從圖中可以看出，不同溫度時的熒光衰減曲線在單對數坐標系中均為直線，說明衰減曲線可由單指數函數描述；另外，熒光衰減隨著溫度升高而加快。用單指數函數對各熒光衰減曲線進行擬合，得到不同溫度下樣品的熒光壽命，標注在圖5（a）中。圖5（b）中的實心圓點描述了5D4能級壽命對樣品溫度的依賴關系，對于橫向竄越機制引起的熒光衰減隨著溫度的變化滿足如下函數關系[30]，

圖5 （a）277 nm 激 發 時 不 同 溫 度 下NaGd（MoO4）2∶20%Tb3+熒光粉的5D4 能級的衰減曲線；（b）5D4→7F5躍遷的熒光壽命與溫度的關系；（c）絕對和相對靈敏度對溫度的依賴關系。Fig.5 （a）Decays of 5D4 level for NaGd（MoO4）2∶20%Tb3+phosphor at different temperatures measured under 277 nm excitation.（b）Relation between lifetime of 5D4→7F5 emission and temperature.（c）Dependences of absolute and relative sensitivities on temperature.

其中τ(T)為溫度T時的熒光壽命，τr為當溫度接近0 K 時的熒光壽命，β為與溫度無關但與研究體系物理性質相關的常數，K為玻爾茲曼常數。ΔE與公式（3）中ΔE的物理意義相同，即實現橫向竄越的激活能。利用公式（4）對圖5（b）中的實驗數據進行非線性擬合，得到擬合曲線如圖中連續實線所示。可以看出，公式（4）能夠很好地擬合熒光壽命對溫度的依賴關系，這也說明橫向竄越過程能夠很好地解釋NaGd-（MoO4）2∶Tb3+熒光粉的發光熱猝滅行為。通過擬 合 確 定 了 公 式 中 的 自 由 參 數τr、β和ΔE的 值分別為0.397 ms、87 502 和0.35 eV，其中ΔE值與利用公式（3）擬合得到的值非常接近，這也說明橫向竄越模型解釋NaGd（MoO4）2∶Tb3+熒光粉的發光熱猝滅是可靠的。

從公式（4）可以看出，熒光壽命τ(T)僅依賴于樣品溫度，同時熒光壽命是絕對測量，也就是熒光壽命的測量與測量時樣品的幾何配置、激發光的強弱（無光熱及激光誘導等離子體產生等情況）及測量系統的電子學放大倍數等因素無關，因此樣品的熒光動力學測量可實現溫度傳感。也就是說，只要能夠測量得到該熒光粉在某一溫度下的壽命，就可以利用公式（4）計算得到與該熒光粉達到熱平衡系統的溫度。為了描述NaGd（MoO4）2∶Tb3+熒光粉溫度傳感性能，定義溫度傳感的絕對靈敏度SA為

該公式的物理意義是溫度每改變單位值時熒光壽命τ(T)的改變值，單位是ms∕K。此外，相對靈敏度定義為絕對靈敏度與熒光壽命的比值，即用下式表示

其物理意義是溫度改變單位值時，熒光壽命的相對改變量，其單位是%·K-1。將利用公式（4）擬合得到的參數τr、β和ΔE的值代入到公式（5）和（6），得到絕對和相對靈敏度的顯式函數表達式，并將這兩個函數曲線繪圖在圖5（c）中。從圖5（c）可以看出，無論是相對還是絕對靈敏度都具有強的溫度依賴特性，并且在較高和較低的溫度條件下兩個靈敏度都較低，并且存在靈敏度極值。在~200 至~600 K 溫度范圍內絕對靈敏度存在非零值，也就是利用該材料的熒光動力學測量實現溫度傳感的工作溫度范圍較小。這是因為當溫度較低時，該材料的橫向竄越速率較小，因此熒光壽命基本不隨溫度變化，無法實現溫度傳感；當溫度較高時，發光強度幾乎接近零，此時也無法準確測量熒光壽命。公式（5）和（6）的溫度導數都可以用解析式表示，但這兩個靈敏度導數等于0 的方程是超越方程，無解析解，因此，絕對和相對靈敏度的極值不能用解析式表示。本文采用數值計算獲得了絕對和相對靈敏度的極值點分別為（347.2，0.003 25）和（407.3，1.964），在實際應用中選擇兩個靈敏度極值點附近做溫度傳感將獲得較好的傳感性能。為了更深入認識本文所提出的熒光壽命溫度傳感特性，將所得到的結果與文獻中類似方法獲得的結果進行了對比，列于表1 中。由表1可以看出，本文所研究材料的絕對靈敏度最大值與鋱二酮酸配合物相當，而相對靈敏度最大值遠大于文獻報道的三種材料。

表1 Tb3+熒光壽命溫度傳感對比Tab.1 A comparison between temperature sensing based on Tb3+ lifetime

4 結 論

本文采用高溫固相法成功制備了一系列摻雜濃度的NaGd（MoO4）2∶Tb3+熒光粉，XRD 測量結果證明所制備的熒光粉樣品為純相。研究了發光強度對Tb3+摻雜濃度的依賴，證明Tb3+的熒光猝滅是由交換相互作用所導致的，并利用Ozawa 模型對濃度猝滅進行了解釋。分析了Tb3+的5D4能級熒光衰減對濃度的依賴，發現熒光壽命對濃度的變化符合自產生猝滅模型。對5D4能級熒光強度和熒光壽命的溫度依賴關系進行了研究，發現熒光強度的溫度猝滅符合橫向竄越模型，并通過對熒光溫度猝滅曲線的擬合得到激活能約為0.37 eV，該值與利用熒光衰減對溫度的依賴分析獲得的結果一致。提出了采用NaGd（MoO4）2∶Tb3+熒光粉的Tb3+離子5D4能級的熒光壽命進行溫度傳感的方法，并對傳感的絕對和相對靈敏度進行了分析，獲得了絕對和相對最大靈敏度分別為0.003 25 ms∕K和1.964%·K-1。

本文專家審稿意見及作者回復內容的下載地址∶http:∕∕cjl. lightpublishing. cn∕thesisDetails#10.37188∕CJL.20230165.