新型紅色熒光粉NaLa0.7(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+的制備及發(fā)光性質(zhì)研究

吳冬妮， 崔瑞瑞， 龔新勇， 鄧朝勇*

(1. 貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院， 貴州省電子功能復(fù)合材料特色重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 貴州 貴陽(yáng) 550025；2. 貴州師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院， 貴州 貴陽(yáng) 550001)

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新型紅色熒光粉NaLa0.7(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+的制備及發(fā)光性質(zhì)研究

吳冬妮1,2， 崔瑞瑞1， 龔新勇1， 鄧朝勇1*

(1. 貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院， 貴州省電子功能復(fù)合材料特色重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 貴州 貴陽(yáng) 550025；2. 貴州師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院， 貴州 貴陽(yáng) 550001)

采用高溫固相法合成具有余輝性能的發(fā)光材料NaLa0.7(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+(x=0，0.5，1，1.5，2)。用X射線衍射(XRD)和熒光光譜對(duì)樣品的晶體結(jié)構(gòu)和發(fā)光特性進(jìn)行表征。測(cè)試結(jié)果表明，在900 ℃下燒結(jié)8 h所合成的NaLa0.7(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+樣品為純相NaLa(MoO4)2，樣品可被近紫外光393 nm和藍(lán)光462 nm有效激發(fā)，其發(fā)射主峰位于615 nm處，屬于Eu3+的5D0-7F2躍遷。NaLa0.7(MoO4)2-x-(WO4)x∶0.3Eu3+的發(fā)光強(qiáng)度隨著W6+濃度的增加而增大，當(dāng)W6+摻雜量x=1時(shí)發(fā)光最強(qiáng)，而后隨W6+摻雜濃度的增加出現(xiàn)濃度猝滅現(xiàn)象。通過計(jì)算得到樣品在393 nm和462 nm激發(fā)下的色坐標(biāo)，當(dāng)W6+的摻雜量x=1時(shí)，樣品的紅光色純度最好。

發(fā)光材料; 鉬酸鹽/鎢酸鹽; 稀土; 長(zhǎng)余輝

1 引 言

白光LED作為一種新型的照明光源，具有體積小、發(fā)光效率高、可靠性良好、節(jié)能、壽命長(zhǎng)、無汞設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)[1]。目前白光LED的合成方式有兩種：一種是用藍(lán)色LED芯片與發(fā)黃光的Y3Al5O12∶ Ce3+(YAG∶Ce3+)熒光粉組合成白光[2]，但在這種白光的發(fā)射光譜中缺少紅光，并且在高電流下黃光變化要比藍(lán)光變化慢，從而導(dǎo)致顯色性能不好，在應(yīng)用上具有局限性[3]；另一種方式是用近紫外(UV)InGaN芯片激發(fā)三基色熒光粉，復(fù)合得到白光，其缺點(diǎn)是熒光粉在近紫外發(fā)光效率不高，顯色指數(shù)低[4]。鑒于上述原因，研究高效率穩(wěn)定的紅色熒光粉成為一項(xiàng)重要任務(wù)。

鉬酸鹽體系熒光粉具有發(fā)光性能良好、穩(wěn)定性強(qiáng)、合成溫度低的特點(diǎn)。在雙鉬酸鹽熒光粉中，MoO42-具有四面體結(jié)構(gòu)，Mo6+位于四面體中心位置，4個(gè)O2-位于四面體的4個(gè)頂角[5]。NaLa0.7-(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+熒光粉具有寬而強(qiáng)的電荷轉(zhuǎn)移吸收帶和屬于Eu3+的5D0→7F2躍遷，因此，Eu3+摻雜雙鉬酸鹽體系熒光粉后占據(jù)了非對(duì)稱中心，可以得到高顯色和發(fā)光性能良好的熒光粉，被認(rèn)為是一種理想的發(fā)光材料。Neeraj等[6]采用高溫固相法合成了NaLn(WO4)2-x(MoO4)x∶ Eu3+(Ln=Y,Gd)紅色熒光粉，在紫外光(393 nm)和藍(lán)光(463 nm)的有效激發(fā)下得到了紅光。Chen等[7]利用高溫固相法制備了CaWO4∶Eu3+紅色熒光粉，研究了堿金屬Li+離子的摻雜對(duì)發(fā)光性能的影響。

本文采用高溫固相法制備具有余輝性能的紅色熒光粉NaLa0.7(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+，研究了部分W6+取代晶體中的Mo6+對(duì)晶體結(jié)構(gòu)和發(fā)光性能的影響。因?yàn)閃6+的離子半徑和Mo6+的離子半徑很接近，所以它們的相互取代可能改變基質(zhì)晶格，影響能量傳遞，有效提高發(fā)光強(qiáng)度。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 樣品的制備

本實(shí)驗(yàn)采用高溫固相法制備NaLa0.7(MoO4)2-x-(WO4)x∶0.3Eu3+(x=0，0.5，1，1.5，2)塊體紅色熒光粉。按一定的化學(xué)計(jì)量比稱取La2O3(A.R.)、MoO3(A.R.)、高純Eu2O3(99.9%)、WO3(A.R.)、Na2CO3(A.R.)。首先，將稱取好的各原料混合放入球磨罐中，根據(jù)樣品總量加入適量的無水乙醇。然后，將球磨罐放置于球磨機(jī)中，球磨10 h后用無水乙醇清洗球磨罐和瑪瑙球，再將樣品放入85 ℃恒溫干燥箱中烘干6 h，干燥所得的粉末經(jīng)充分研磨，再用壓片機(jī)壓成塊體。最后，將塊體置于氧化鋁坩堝中，放入箱式高溫?zé)Y(jié)爐中900 ℃下燒結(jié)8 h，即得到所需樣品。

2.2 性能測(cè)試

采用日本Rigaku公司SmartLab X射線衍射(XRD)儀測(cè)試樣品的晶體結(jié)構(gòu)，所用陽(yáng)極金屬為Cu靶，工作電壓和電流分別40 kV和40 mA，掃描范圍為10°～80°。采用HORIBA Fluoromax-4 Spectrofuorometer熒光光譜儀測(cè)試樣品的激發(fā)和發(fā)射光譜。所有測(cè)試均在室溫下進(jìn)行。

3 結(jié)果與討論

3.1 熒光粉的XRD分析

圖1為NaLa0.7(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+(x=0，0.5，1，1.5，2)熒光粉的XRD圖譜。從圖1中可以看出，所有的樣品在900 ℃燒結(jié)后，主要衍射峰都已經(jīng)出現(xiàn)。當(dāng)x=1時(shí)，樣品的衍射峰與JCPDS No.24-1103(NaLa(MoO4)2)標(biāo)準(zhǔn)卡片完全一致，沒有其他雜相存在，說明WO42-引入并沒有改變物相結(jié)構(gòu)，得到的產(chǎn)物NaLa0.7(MoO4)-(WO4)∶0.3Eu3+具有較好的相純度。鎢鉬酸鹽均是屬于四方晶系的白鎢礦型結(jié)構(gòu)，空間群為I41/a88,這種結(jié)構(gòu)中Mo6+位于氧配位四面體中心，形成MoO42-陰離子絡(luò)合物[8-9]。因此，由于La3+(1.016 nm)的離子半徑和Eu3+(0.947 nm)的離子半徑很接近，W6+的離子半徑(0.42 nm)和Mo6+的離子半徑(0.41 nm)很接近，Eu3+和WO42-離子進(jìn)入晶格分別取代La3+和MoO42-。但是當(dāng)W6+逐漸取代Mo6+時(shí)，超過臨界值就會(huì)引起樣品相的變化，即當(dāng)x=2時(shí)，樣品的衍射峰與JCPDS No.79-1118(NaLa(MoWO4)2)標(biāo)準(zhǔn)卡片完全一致，合成了NaLa0.7(WO4)2∶0.3Eu3+的相。

圖1 熒光粉NaLa0.7(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+的XRD圖譜

Fig.1 XRD patterns of NaLa0.7(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+phosphors

3.2 熒光粉的光譜性質(zhì)

3.2.1 熒光粉的激發(fā)光譜

圖2是900 ℃下燒結(jié)8 h得到的 NaLa0.7-(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+的激發(fā)光譜，以615 nm作為監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)。對(duì)樣品進(jìn)行分析可知，在樣品NaLa0.7(MoO4)2∶0.3Eu3+中引入WO42-取代部分的MoO42-并沒有改變樣品激發(fā)光譜的形狀和峰位置，只是發(fā)光強(qiáng)度發(fā)生改變。如圖2所示，樣品的激發(fā)光譜是由寬帶和幾個(gè)尖峰兩部分組成，在300 nm附近的激發(fā)譜帶是一寬帶，實(shí)質(zhì)上是Eu3+-O2+電荷遷移帶和Mo6+-O2+或者W6+-O2+的電荷轉(zhuǎn)移帶組成[10]。位于358～545 nm之間的激發(fā)峰是屬于激活劑Eu3+的f→f躍遷吸收，其中位于393 nm處的峰群是Eu3+的7F0-5L6躍遷，位于462 nm處的激發(fā)峰群屬于7F0→5D2躍遷，位于535 nm處的激發(fā)峰群屬于7F0→5D1躍遷[11]。從圖2可以看出，樣品在NaLa0.7(MoO4)2∶0.3Eu3+中加入WO42-后，位于462 nm處的吸收強(qiáng)度高于393 nm處，說明W6+的加入使得發(fā)光中心的次晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而使能量發(fā)生轉(zhuǎn)移[12]。實(shí)驗(yàn)表明：分別用393 nm近紫外光和462 nm可見光激發(fā)樣品，Eu3+的發(fā)射峰型基本一樣，主要由590 nm附近的5D0→7F1磁偶極躍遷和616 nm附近的電偶極躍遷組成,其中以615 nm處的發(fā)光強(qiáng)度最大。

圖2 在615 nm監(jiān)測(cè)下的NaLa0.7(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+的激發(fā)光譜

Fig.2 Excitation spectra of NaLa0.7(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+monitored at 615 nm

3.2.2 熒光粉的發(fā)射光譜

圖3和圖4為樣品NaLa0.7(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+(x=0, 0.5, 1, 1.5, 2)分別在近紫外393 nm和藍(lán)光462 nm激發(fā)下的發(fā)射光譜。樣品的發(fā)射光譜由585～630 nm之間的幾組尖峰組成，均為Eu3+的f-f躍遷特征譜線，分別屬于Eu3+離子的不同初態(tài)5D0到終態(tài)7FJ(J=0,1,2,3,4)的躍遷[13]。位于590 nm的峰是由于Eu3+的磁偶極子躍遷5D0→7F1引起，位于611 nm和615 nm的峰是由于Eu3+的電偶極子5D0→7F2躍遷引起。5D0→7F2躍遷強(qiáng)于5D0→7F1[14]，其中615 nm處的發(fā)射峰最強(qiáng)。如圖可知，在NaLa0.7(MoO4)2-x-(WO4)x∶0.3Eu3+中部分Mo6+和W6+共同來占據(jù)Mo6+的格位。樣品分別用393 nm和462 nm波長(zhǎng)激發(fā)都來源于Eu3+的7F0→5L6、7F0→5D2躍遷，Eu3+是通過弛豫將能量轉(zhuǎn)移到低激發(fā)態(tài)5D0，然后再通過Eu3+的5D0→7FJ(J=0,1,2,3,4)躍遷來產(chǎn)生紅光[15]。而電荷轉(zhuǎn)移帶的能量遷移主要是Eu3+-O2+和Mo6+- O2+/W6+-O2+電荷遷移帶中O2+的2p軌道上的電子分別躍遷到Eu3+和Mo6+/W6+的空軌道上從而產(chǎn)生能量遷移。但是在O2+-Mo6+/W6+的電荷遷移過程中，只有部分的遷移是通過弛豫以熱能輻射形式躍遷，能量通過非輻射躍遷到Eu3+的激發(fā)態(tài)5D0能級(jí)[16]，從而發(fā)射紅光；其余部分是通過弛豫把能量直接傳遞給Eu3+的5H3能級(jí)。因此，在圖3和圖4中并沒有看到WO42-和MoO42-所對(duì)應(yīng)的發(fā)射峰，只在圖2中看到由Mo6+- O2+或者W6+-O2+而產(chǎn)生的特征峰，從而說明發(fā)光是通過Eu3+的非輻射能級(jí)躍遷而產(chǎn)生。

圖3 NaLa0.7(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+在393 nm激發(fā)下的發(fā)射光譜

Fig.3 Emission spectra (excited at 393 nm) of NaLa0.7-(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+

圖4 NaLa0.7(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+在462 nm激發(fā)下的發(fā)射光譜

Fig.4 Emission spectra (excited at 462 nm) of NaLa0.7-(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+

圖5為NaLa0.7(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+樣品分別在393 nm和462 nm激發(fā)下的發(fā)光強(qiáng)度變化曲線。由圖5可以看出，樣品在393 nm和462 nm激發(fā)下的發(fā)光強(qiáng)度隨著WO42-濃度的變化趨勢(shì)是相似的，都是隨著WO42-濃度的增加而增大。當(dāng)W6+取代Mo6+的比例為1時(shí)，發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到最大值。可見W6+摻雜能有效提高熒光粉的發(fā)光強(qiáng)度，這可能是因?yàn)镋u3+離子之間的相互作用在發(fā)生改變，Eu3+-O2+和Mo6+-O2+/W6+-O2+的能量遷移能有效到達(dá)Eu3+發(fā)光中心，從而使發(fā)光強(qiáng)度增大。然而當(dāng)WO42-的濃度繼續(xù)增加時(shí)，樣品的發(fā)光強(qiáng)度反而降低。另外，從圖5中也可以看出， WO42-的引入對(duì)樣品在393 nm激發(fā)下的發(fā)光強(qiáng)度的影響沒有462 nm 明顯。

圖5 NaLa0.7(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+(x=0,0.5,1,1.5,2)發(fā)光強(qiáng)度與WO42-摻量的關(guān)系

Fig.5 Luminous intensity of NaLa0.7(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+vs.x(WO42-)

3.2.3 余輝光譜

對(duì)于在樣品NaLa0.7(MoO4)2∶0.3Eu3+中引入W6+所得的NaLa0.7(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+，從激發(fā)光譜可以看到，393 nm和462 nm的激發(fā)都可以使樣品在615 nm處發(fā)出紅光，用254 nm紫外光激發(fā)停止后可得到紅色余輝，這一現(xiàn)象說明該熒光粉具有余輝性能。用254 nm紫外光，將Eu3+從O2+-Eu3+電荷遷移帶激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶，電子在導(dǎo)帶中自由移動(dòng)，一部分回到Eu3+激發(fā)態(tài)，從而得到復(fù)合發(fā)光；其余的電子被導(dǎo)帶附近的陷阱所俘獲。在激發(fā)停止后，陷阱中的電子被釋放回導(dǎo)帶，一部分回到Eu3+激發(fā)態(tài)，從而產(chǎn)生紅色余輝。從圖6可以看出，樣品余輝光譜是Eu3+的5D0-7FJ(J=0,1,2,3,4)躍遷發(fā)射而產(chǎn)生的，主峰位于615 nm處。

圖6 NaLa0.7(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+余輝光譜

Fig.6 Afterglow spectra of NaLa0.7(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+

3.2.4 熒光粉的色坐標(biāo)分析

我們計(jì)算了樣品NaLa0.7(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+在393 nm和462 nm紫外光激發(fā)下的色坐標(biāo)值，結(jié)果見表1。由表1和圖7的色坐標(biāo)圖可以看出，熒光粉NaLa0.7(MoO4)(WO4)∶0.3Eu3+的色標(biāo)值比NaLa0.7(MoO4)2∶0.3Eu3+更接近于美國(guó)國(guó)家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(NTSC)的標(biāo)準(zhǔn)值，說明引入W6+改善了樣品的色純度。

表1 樣品NaLa0.7(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+在393 nm和462 nm激發(fā)下的色坐標(biāo)

圖7 樣品色坐標(biāo)圖(a代表NaLa0.7(MoO4)2∶0.3Eu3+，b代表NaLa0.7(MoO4)(WO4)∶0.3Eu3+)

Fig.7 CIE chromatic coordinates of the prepared NaLa0.7-(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+(a: NaLa0.7(MoO4)2∶0.3Eu3+. b: NaLa0.7(MoO4) (WO4)∶0.3Eu3+)

4 結(jié) 論

采用高溫固相法制備出NaLa0.7(MoO4)2-x-(WO4)x∶0.3Eu3+(x=0,0.5,1,1.5,2)鉬酸鹽紅色熒光粉。900 ℃下燒結(jié)8 h可得到純相的NaLa0.7(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+晶體。NaLa0.7(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+熒光粉可分別被393 nm的近紫外光和462 nm的藍(lán)光有效激發(fā),發(fā)射峰對(duì)應(yīng)Eu3+的4f-4f躍遷，屬于Eu3+的5D0-7F0電偶極躍遷，在615 nm處的發(fā)光強(qiáng)度最大。NaLa0.7(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+熒光粉在393 nm、462 nm的吸收分別能與目前應(yīng)用的紫外光和藍(lán)光LED芯片很好匹配。研究表明，引入鎢酸來提高發(fā)光強(qiáng)度，當(dāng)W6+取代Mo6+的摻雜比例為1時(shí)，樣品的發(fā)光強(qiáng)度最大。所合成的這種新型紅色發(fā)光材料具有余輝性能，余輝的發(fā)光是由Eu3+的5D0→7FJ(J=0,1,2,3,4)躍遷發(fā)射引起。

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Synthesis and Photoluminescence Properties of NaLa0.7(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+Novel Red Phosphors

WU Dong-ni1,2, CUI Rui-rui1, GONG Xin-yong1, DENG Chao-yong1*

(1.KeyLaboratoryofFunctionalCompositeMaterialsofGuizhouProvince,CollegeofBigDataandInformationEngineering,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China; 2.SchoolofPhysicsandElectronicScience,GuizhouNormalUniversity,Guiyang550001,China)
*CorrespondingAuthor,E-mail:cydeng@gzu.edu.cn

NaLa0.7(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+afterglow luminescent materials were synthesized by solid state reaction. The crystal structure and luminescence properties of the samples were characterized by means of X-ray diffraction and photoluminescence spectra. The results show that NaLa0.7(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+phosphors can be excited efficiently by near-ultraviolet (393 nm) and blue light (462 nm), and the main emission peak is located at 615 nm due to5D0-7F2transition of Eu3+ions. X-ray diffraction pantterns (XRD) show that the phosphors calcinated at 900 ℃ for 8 h were pure NaLa(MoO4)2crystal phase. The luminescent intensity of NaLa0.7(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+increases with the increasing of W6+content, and reaches the maximum when the doping content of W6+(x) is 1. The phenomenon of concentration quenching occurs when W6+doping concentration is excess. Moreover, the CIE chromaticity (x,y) of NaLa0.7-(MoO4)2-x(WO4)x∶0.3Eu3+excited by 393 nm and 462 nm lights were analyzed. When the doping concentration of W6+(x)is 1, the red chromaticity coordinate of the samples is closer to the Commission International de L’Eclairage (CIE) chromaticity coordinates.

luminescent material; molybdate/tungstate; rare earths; long afterglow

吳冬妮(1983-)，女，貴州貴陽(yáng)人，博士研究生，2011年于廈門大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事稀土發(fā)光材料方面的研究。

E-mail: wudongni0118@163.com

鄧朝勇(1977-)，男，貴州安龍人，教授，博士生導(dǎo)師，2004于北京交通大學(xué)獲得博士學(xué)位，2008于清華大學(xué)博士后出站，2010年為美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室高級(jí)研究教授，主要從事新型光電子材料與器件、材料熱力學(xué)與材料設(shè)計(jì)、低維半導(dǎo)體材料與器件等方面的研究。

E-mail: cydeng@gzu.edu.cn

2015-10-26；

2015-12-17

國(guó)家自然科學(xué)基金(51462003)； 貴州省科學(xué)技術(shù)基金(黔科合J字[2013]2216號(hào))； 貴州省高層次創(chuàng)新人才(黔科合人才(2015)4006號(hào))； 貴州省研究生卓越人才計(jì)劃(黔教研合ZYRC字[2014]001)； 貴州大學(xué)引進(jìn)人才科研項(xiàng)目((2014)31號(hào)(自然科學(xué)))資助

1000-7032(2016)03-0274-06

O482.31

A

10.3788/fgxb20163703.0274