Tb3+,Sm3+掺杂的YNbO4多色荧光材料的制备及发光性能

南赏瑞 付振东 张云霄 刘桂霞

引用本文: 南赏瑞, 付振东, 张云霄, 刘桂霞. Tb3+,Sm3+掺杂的YNbO4多色荧光材料的制备及发光性能[J]. 无机化学学报, 2021, 37(2): 229-234. doi: 10.11862/CJIC.2021.004 shu
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Tb3+,Sm3+掺杂的YNbO4多色荧光材料的制备及发光性能

    通讯作者: 付振东, E-mail:fzd199@126.com; 刘桂霞, E-mail:liuguixia22@163.com
  • 基金项目:

    国家重点研发计划项目 2019YFA0705204

    吉林省自然科学基金项目 20170101185JC

摘要: 采用溶胶-凝胶法合成了YNbO4:Tb3+,Sm3+系列荧光粉。光谱测试表明:体系中的NbO43-基团能够吸收紫外光并将能量传递给Tb3+和Sm3+,从而增强荧光粉的发光强度。在290 nm激发下,YNbO4:Tb3+,Sm3+荧光粉的发射光谱中既出现了Tb3+的绿光发射又出现了Sm3+的橙光发射。通过改变Sm3+的掺杂浓度,实现了荧光粉发射光的光色可调。

English

  • 稀土离子掺杂的发光材料在全色激光器、光催化、显示器、发光二极管(LED)、荧光灯、荧光成像以及现代激活材料等领域有极大的应用价值[1-9]。铌酸钇(YNbO4)化学性质优异,在紫外线区域有较强的吸收,可以作为合适的发光基质材料[10-13]。铌酸钇(YNbO4)有2种晶相,即褐钇铌结构的M相(单斜相)以及白钨矿结构的T相(四方相)。而具有M相结构的稀土掺杂铌酸盐晶体具有更有效的电荷转移过程以及出色的发光性能[14-15]。NbO43-作为自激活阴离子,在紫外/近紫外光激发下,O2--Nb5+电荷迁移带可以将吸收的能量传递给掺杂的稀土离子,提高荧光粉的发光效率[16]

    Tb3+在548 nm(5D47F5)附近呈现强的特征绿光发射[17-22],Sm3+在发射光谱中通常显示橙红光发射[23-28]。通过改变发光材料中Tb3+离子及Sm3+离子的掺杂比例可以达到调节样品的发光颜色的目的[29]。因此,将Tb3+和Sm3+离子共掺到YNbO4基质中获得包括白光发射的颜色可调荧光粉是非常可行的。

    我们以Tb3+和Sm3+作为激活离子,YNbO4为基质材料,采用溶胶-凝胶法合成了一系列YNbO4: Tb3+,Sm3+荧光粉,研究了其发光性能,并探究了NbO43-到Tb3+、Sm3+以及Tb3+到Sm3+之间的能量传递机制。

    氧化钇、氧化铽、氧化钐、氧化铌(99.99%,国药集团化学试剂有限公司),柠檬酸(99.50%,天津市光复精细化工研究所),浓硝酸(分析纯,北京化工厂),氨水(25%~28%,国药集团化学试剂有限公司)。

    首先配制0.1 mol·L-1的Y(NO3)3溶液、0.05 mol· L-1的Tb(NO3)3溶液以及0.05 mol·L-1的Sm(NO3)3溶液。配制过程如下:分别将2.258 1 g Y2O3、0.467 3 g Tb4O7和0.435 9 g Sm2O3固体置于100 mL烧杯中,加入一定量的浓硝酸,加热并在磁力搅拌器上使稀土氧化物完全溶解,在持续加热搅拌的情况下,蒸发掉多余的硝酸,冷却、结晶,加入去离子水使其再次溶解,最后将其转移至容量瓶中定容,得到所需浓度的稀土硝酸盐溶液。

    以荧光粉YNbO4:0.05Tb3+,0.02Sm3+的合成为例:首先将0.5 mmol的Nb2O5溶入HF中,然后用氨水调节至pH=9。将所得沉淀用去离子水洗涤数次去除多余的F-。接下来将其转移至烧杯中,搅拌条件下加入1.153 g柠檬酸,充分溶解后在50 ℃加热条件下滴加2 mL H2O2,直至溶液澄清,再加入1.0 mL乙二醇。随后在85 ℃搅拌的条件下,向烧杯中分别加入0.93 mmol Y(NO3)3 (0.1 mol·L-1)、0.05 mmol Sm(NO3)3 (0.05 mol·L-1)和0.02 mmol Tb(NO3)3 (0.05 mol·L-1)溶液,蒸发去除多余的水分,形成淡黄色的粘稠的湿凝胶。将该凝胶转移至坩埚中放在真空干燥箱中180 ℃下保温2 h,得到高度凝结的多孔网状干凝胶。接着转移到马弗炉中加热到500 ℃保温3 h,得到灰褐色固体,取出,将其研磨成细粉,在900 ℃下煅烧5 h得到白色粉末样品。其它样品的合成工艺与以上荧光粉相同,只是加入的稀土离子的量不同。如合成荧光粉YNbO4:0.02Sm3+或YNbO4 :0.05Tb3+时,分别加入0.98或0.95 mmol Y(NO3)3 (0.1 mol·L-1)、0.02 mmol Sm(NO3)3 (0.05 mol·L-1)溶液和0.05 mmol Tb(NO3)3 (0.05 mol·L-1)溶液。

    采用Bruker D8 Focus型X射线衍射仪(XRD)对样品的晶相结构进行分析,采用Cu 辐射,λ= 0.150 56 nm,工作电压和电流分别是20 kV和30 mA,步宽为0.125°,扫描速度为10 (°)·min-1,扫描范围为10°~90°。采用JSM-7610F型热场发射扫描电子显微镜(SEM)对样品的形貌和尺寸进行分析,工作电压为15.0 kV。采用OXFORD X-MaxN80型X射线能量色散谱仪(EDS),对样品的元素组成进行分析。采用HITACHI F-7000型荧光光谱仪测试样品的激发和发射光谱。

    图 1分别是YNbO4:0.05Tb3+,0.02Sm3+、YNbO4: 0.05Tb3+和YNbO4:0.02Sm3+的XRD图。从图中可以明显看到所有衍射峰的位置均与单斜相YNbO4标准卡片(PDF No.72-2077,晶格参数a=0.703 7 nm,b= 1.094 5 nm,c=0.529 8 nm,Z=4)中的数据一致,且没有多余杂峰。这说明合成的样品为纯相的YNbO4,空间群为C2/c(15),且Tb3+和Sm3+离子的掺杂并没有改变其晶体结构。

    图 1

    图 1.  样品YNbO4:0.02Sm3+、YNbO4:0.05Tb3+和YNbO4: 0.05Tb3+, 0.02Sm3+的XRD图以及相应的标准图
    Figure 1.  XRD patterns of the YNbO4:0.02Sm3+, YNbO4: 0.05Tb3+ and YNbO4:0.05Tb3+, 0.02Sm3+ samples, and the corresponding standard pattern

    图 2a为样品YNbO4:0.05Tb3+,0.02Sm3+的SEM图。从图中可以看出所制备样品为球形颗粒,结合粒度分布图,可得样品粒径约为0.78 μm。图 2b为该样品的EDS谱图,从图中可以看到O、Nb、Y、Sm和Tb元素的谱峰,结合其XRD图,证明所合成的样品为YNbO4:Tb3+,Sm3+荧光粉。

    图 2

    图 2.  YNbO4:0.05Tb3+, 0.02Sm3+荧光粉的SEM图(a)和EDS谱图(b)
    Figure 2.  SEM image (a) and EDS spectrum (b) of YNbO4:0.05Tb3+, 0.02Sm3+ phosphor

    Inset is the particle size distribution

    图 3是样品YNbO4:0.05Tb3+的激发光谱和YNbO4:xTb3+(x=0.01、0.03、0.05、0.07、0.09)的发射光谱。以546 nm(Tb3+5D47F5)为波长监测时,激发光谱由位于210~300 nm范围内的2个宽而强的吸收带和一系列小的吸收峰组成,宽带中有2个强吸收峰:一个位于233 nm处,由O2--Nb5+电荷转移带引起的[30];另一个位于283 nm处,源自O2--Tb3+的电荷转移带跃迁[31]。O2--Nb5+的电荷转移带的存在表明NbO43-到Tb3+离子之间存在能量传递。并且O2--Tb3+和O2--Nb5+的电荷转移带在紫外光区域部分重叠,使得紫外光能够更有效地被吸收并通过能量转移使得荧光粉中的Tb3+离子具有更好的发光性能。同时,位于352、369、378和489 nm处的激发峰分别对应Tb3+7F6-5D27F6-5G67F6-5D37F6-5D4能级跃迁。当以283 nm作为激发波长时,发射光谱中可以观察到Tb3+离子位于489、546、585和620 nm处的特征发射,对应于Tb3+5D4-7F65D4-7F55D4-7F45D4-7F3的能级跃迁[32-37]。并且随着Tb3+离子浓度的增加,其特征发射峰的强度逐渐增强,且当Tb3+离子的掺杂浓度为0.05时,发光强度达到最大值,之后逐渐减弱,这是浓度猝灭所致,因此Tb3+离子的猝灭浓度为0.05。

    图 3

    图 3.  YNbO4:0.05Tb3+样品的激发(λem=546 nm)和YNbO4 :xTb3+ (x=0.01、0.03、0.05、0.07、0.09)样品的发射光谱图(λex=283 nm)
    Figure 3.  Excitation spectrum (λem=546 nm) of YNbO4: 0.05Tb3+ and emission spectra (λex=283 nm) of YNbO4:xTb3+ (x=0.01, 0.03, 0.05, 0.07, 0.09) samples

    图 4是YNbO4:0.02Sm3+样品的激发和YNbO4: ySm3+(y=0.005、0.01、0.02、0.03、0.04)样品的发射光谱图。用609 nm(Sm3+4G5/2-4H7/2)作为监测波长时,激发光谱可以观察到220~350 nm范围内中心峰值为290 nm的宽吸收带,源于O2--Sm3+和O2--Nb5+的电荷转移跃迁,这说明NbO43-可以有效地将能量传递给Sm3+。同时位于364、377、407、421、468和483 nm处的吸收峰来源于Sm3+离子的6H5/2-4F9/26H5/2-4D5/26H5/2 - 4F7/26H5/2- 4P5/26H5/2- 4F5/26H5/2-4I9/2能级跃迁[38-42]。用290 nm作为激发波长时,可以观察到Sm3+在567 nm (4G5/2-6H5/2)、609 nm(4G5/2-6H7/2)和648 nm(4G5/2-6H9/2)处的特征发射,最强峰位于609 nm,为Sm3+的特征橙光发射。其特征发射峰的强度随着Sm3+离子浓度的增加而逐渐增强,直至掺杂浓度为0.02时发光强度达到最大,之后由于浓度猝灭效应,其发光强度逐渐降低。

    图 4

    图 4.  YNbO4:0.02Sm3+样品的激发光谱(λem=609 nm)和YNbO4:ySm3+ (y=0.005、0.01、0.02、0.03、0.04)样品的发射光谱图(λex=290 nm)
    Figure 4.  Excitation spectrum (λem=609 nm) of YNbO4: 0.02Sm3+ and emission spectra (λex=290 nm) of YNbO4:ySm3+(y=0.005, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04) samples

    图 5是样品YNbO4:0.05Tb3+, 0.02Sm3+、YNbO4: 0.02Sm3+和YNbO4:0.05Tb3+的激发光谱图。从图中可以看出,当546 nm作为监测波长时,样品YNbO4: 0.05Tb3+的激发光谱中出现了Tb3+位于352 nm(7F6 - 5D2)、369 nm(7F6 -5G6)、378 nm(7F6 -5D3)和489 nm(7F6 - 5D4)处的特征激发峰。而样品YNbO4:0.02Sm3+在609 nm(4G5/2-4H7/2)监测时,可以观察到364 nm(6H5/2 - 4F9/2)、377 nm(6H5/2 -4D5/2)、407 nm(6H5/2 -4F7/2)、421 nm (6H5/2 -4P5/2)、468 nm(6H5/2 -4F5/2)和483 nm(6H5/2 -4I9/2)处Sm3+的特征激发峰。当用Sm3+在609 nm(4G5/2-4H7/2)的特征发射监测YNbO4:0.05Tb3+,0.02Sm3+样品时,激发光谱中存在Tb3+在352 nm处的特征激发峰。同时,Tb3+其它激发峰与Sm3+特征激发峰重叠,导致了激发峰强度的增强。以上现象说明Tb3+和Sm3+离子之间存在Tb3+→Sm3+的能量传递。

    图 5

    图 5.  YNbO4:0.05Tb3+, 0.02Sm3+、YNbO4:0.05Tb3+和YNbO4:0.02Sm3+样品的激发光谱图
    Figure 5.  Excitation spectra of YNbO4:0.05Tb3+, 0.02Sm3+, YNbO4:0.05Tb3+ and YNbO4:0.03Sm3+ samples

    图 6为290 nm作为激发波长时,YNbO4: 0.05Tb3+ySm3+荧光粉的发射光谱。从图中既可以看到Tb3+(489、546 nm)的特征发射也可以看到Sm3+ (609、648 nm)的特征发射。由于YNbO4基质中存在Tb3+到Sm3+的能量传递过程,因此保持Tb3+掺杂浓度不变,随着Sm3+掺杂浓度的增加,Tb3+的发射强度逐渐降低,Sm3+的发射强度先增后减。此外,从插图中也可以更加直观地看出当y=0.03时,Sm3+的发射强度达到最高,之后由于浓度猝灭而降低。由以上结果可知,可以通过改变掺杂稀土离子的浓度来实现样品发光的颜色可调。

    图 6

    图 6.  YNbO4:0.05Tb3+, ySm3+ (y=0.01、0.02、0.03、0.05、0.07)样品的发射光谱图(λex=290 nm)
    Figure 6.  Emission spectra of YNbO4:0.05Tb3+, ySm3+ (y= 0.01, 0.02, 0.03, 0.05, 0.07) (λex=290 nm)

    Inset is variation of the intensities at 546 nm (Tb3+) and 609 nm (Sm3+) emission corresponding to the Sm3+ content (y)

    图 7为YNbO4:0.05Tb3+ySm3+ (y=0.01、0.02、0.03、0.05、0.07)样品中的Tb3+5D4-7F5跃迁的荧光寿命衰减曲线,实验数据可以利用以下公式进行拟合:I=I0+Ae-t/τ,其中,A为常数,I为时间t时的荧光强度,I0表示t=0时的荧光强度,τ代表荧光寿命。根据拟合结果,当Sm3+离子浓度y=0.005、0.01、0.02、0.03、0.04和0.05时,Tb3+的荧光寿命分别为2.27、1.73、1.70、1.65和1.59 ms,呈现明显的下降趋势。Tb3+的荧光寿命逐渐降低这一现象表明,在YNbO4: 0.05Tb3+ySm3+样品中Tb3+将能量转移给Sm3+

    图 7

    图 7.  YNbO4:0.05Tb3+, ySm3+ (y=0.01、0.02、0.03、0.05、0.07)样品中Tb3+5D4-7F5跃迁的荧光寿命曲线
    Figure 7.  Decay curves for Tb3+ (5D4-7F5) transition in YNbO4 :0.05Tb3+, ySm3+ (y=0.01, 0.02, 0.03, 0.05, 0.07) samples

    图 8展示了YNbO4:Tb3+,Sm3+荧光粉中可能存在的能量传递机理。如图 8所示,当YNbO4掺杂Tb3+和Sm3+时,O2--Tb3+/Sm3+的电荷迁移带和NbO43-对Tb3+和Sm3+的发射均有贡献[43]。在YNbO4:Tb3+,Sm3+荧光粉中,O2--Tb3+/Sm3+的电荷迁移带和NbO43-吸收紫外光的能量后,将能量传递给Tb3+和Sm3+,使其在返回基态的过程中,Tb3+离子发射出492 nm(5D4-7F6)、548 nm(5D4-7F5)、585 nm(5D4-7F4)和621 nm(5D4-7F3)的特征发射。Sm3+发出位于566 nm(4G5/2-6H5/2)、609 nm (4G5/2-6H7/2)和650 nm(4G5/2-6H9/2)的特征发射。此外,Tb3+离子还会将部分能量通过非辐射跃迁的方式传递给Sm3+离子,增强Sm3+离子的特征发射。

    图 8

    图 8.  YNbO4:Tb3+, Sm3+荧光粉的能量传递机理示意图
    Figure 8.  Energy transfer mechanism of YNbO4:Tb3+, Sm3+ phosphors

    图 9为在室温下测定的YNbO4:0.05Tb3+ySm3+荧光粉在290 nm激发下的CIE色坐标图。YNbO4: 0.05Tb3+的CIE色度坐标为(0.241 1,0.397 9),绿色发射。随着Sm3+离子掺杂量的变化,YNbO4:0.07Tb3+ySm3+(y=0.01、0.02、0.03、0.04和0.05)荧光粉的发射光从绿光逐渐向白光移动,其相应的CIE色度坐标分别为(0.311 2,0.368 5)、(0.308 6,0.338 2)、(0.302 9,0.321 5)、(0.305 2,0.309 4)、(0.284 9,0.285 2),表明在单一波长激发下通过调节Tb3+/Sm3+离子的掺杂比例可获得样品的光色可调及白光发射。

    图 9

    图 9.  YNbO4:0.05Tb3+, ySm3+(y=0.00、0.01、0.02、0.03、0.04和0.05)样品在290 nm紫外光激发下的色坐标图
    Figure 9.  CIE chromaticity diagram of the YTaO4:0.05Tb3+, ySm3+ (y=0.00, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04 and 0.05) phosphors under excitation of 290 nm

    通过溶胶-凝胶法合成了YNbO4:Tb3+,Sm3+系列荧光粉。由XRD图及SEM分析可知,所合成的样品为约0.78 μm的球形单斜相YNbO4晶体。荧光光谱分析表明:YNbO4:Tb3+,Sm3+荧光粉在紫外光激发下,NbO43-能有效地把所吸收的能量传递给Tb3+离子和Sm3+离子,且Tb3+离子也会将所吸收的部分能量传递给Sm3+离子。该荧光粉呈现492 nm(5D4-7F6)、548 nm(5D4-7F5)、585 nm(5D4-7F4)和621 nm(5D4-7F3)处Tb3+的特征发射以及566 nm(4G5/2-6H5/2)、609 nm(4G5/2 - 6H 7/2)和650 nm(4G5/2-6H9/2)处Sm3+的特征发射。通过改变Sm3+的掺杂浓度,样品可以实现发射光从绿光向白光的转变。


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  • 图 1  样品YNbO4:0.02Sm3+、YNbO4:0.05Tb3+和YNbO4: 0.05Tb3+, 0.02Sm3+的XRD图以及相应的标准图

    Figure 1  XRD patterns of the YNbO4:0.02Sm3+, YNbO4: 0.05Tb3+ and YNbO4:0.05Tb3+, 0.02Sm3+ samples, and the corresponding standard pattern

    图 2  YNbO4:0.05Tb3+, 0.02Sm3+荧光粉的SEM图(a)和EDS谱图(b)

    Figure 2  SEM image (a) and EDS spectrum (b) of YNbO4:0.05Tb3+, 0.02Sm3+ phosphor

    Inset is the particle size distribution

    图 3  YNbO4:0.05Tb3+样品的激发(λem=546 nm)和YNbO4 :xTb3+ (x=0.01、0.03、0.05、0.07、0.09)样品的发射光谱图(λex=283 nm)

    Figure 3  Excitation spectrum (λem=546 nm) of YNbO4: 0.05Tb3+ and emission spectra (λex=283 nm) of YNbO4:xTb3+ (x=0.01, 0.03, 0.05, 0.07, 0.09) samples

    图 4  YNbO4:0.02Sm3+样品的激发光谱(λem=609 nm)和YNbO4:ySm3+ (y=0.005、0.01、0.02、0.03、0.04)样品的发射光谱图(λex=290 nm)

    Figure 4  Excitation spectrum (λem=609 nm) of YNbO4: 0.02Sm3+ and emission spectra (λex=290 nm) of YNbO4:ySm3+(y=0.005, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04) samples

    图 5  YNbO4:0.05Tb3+, 0.02Sm3+、YNbO4:0.05Tb3+和YNbO4:0.02Sm3+样品的激发光谱图

    Figure 5  Excitation spectra of YNbO4:0.05Tb3+, 0.02Sm3+, YNbO4:0.05Tb3+ and YNbO4:0.03Sm3+ samples

    图 6  YNbO4:0.05Tb3+, ySm3+ (y=0.01、0.02、0.03、0.05、0.07)样品的发射光谱图(λex=290 nm)

    Figure 6  Emission spectra of YNbO4:0.05Tb3+, ySm3+ (y= 0.01, 0.02, 0.03, 0.05, 0.07) (λex=290 nm)

    Inset is variation of the intensities at 546 nm (Tb3+) and 609 nm (Sm3+) emission corresponding to the Sm3+ content (y)

    图 7  YNbO4:0.05Tb3+, ySm3+ (y=0.01、0.02、0.03、0.05、0.07)样品中Tb3+5D4-7F5跃迁的荧光寿命曲线

    Figure 7  Decay curves for Tb3+ (5D4-7F5) transition in YNbO4 :0.05Tb3+, ySm3+ (y=0.01, 0.02, 0.03, 0.05, 0.07) samples

    图 8  YNbO4:Tb3+, Sm3+荧光粉的能量传递机理示意图

    Figure 8  Energy transfer mechanism of YNbO4:Tb3+, Sm3+ phosphors

    图 9  YNbO4:0.05Tb3+, ySm3+(y=0.00、0.01、0.02、0.03、0.04和0.05)样品在290 nm紫外光激发下的色坐标图

    Figure 9  CIE chromaticity diagram of the YTaO4:0.05Tb3+, ySm3+ (y=0.00, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04 and 0.05) phosphors under excitation of 290 nm

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  • 发布日期:  2021-02-10
  • 收稿日期:  2020-06-30
  • 修回日期:  2020-09-16
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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