Mg2+、Zn2+摻雜CaWO4∶Eu3+熒光粉的發(fā)光性質(zhì)

王林香, 趙海琴, 孫德方

(1. 新疆師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830054；2. 新疆師范大學(xué) 礦物發(fā)光及其微結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 新疆 烏魯木齊 830054；3. 新疆師范大學(xué) 新型光源與微納光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 新疆 烏魯木齊 830054； 4. 新疆師范高等?？茖W(xué)校(新疆教育學(xué)院)， 新疆 烏魯木齊 830043)

1 引 言

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Eu3+摻雜濃度為3%時(shí)，CaWO4∶Eu3+獲得發(fā)光強(qiáng)度最佳，且Mg2+或Zn2+摻入對低濃度的Eu3+摻雜CaWO4的發(fā)光及壽命影響較為明顯。為了比較，本實(shí)驗(yàn)以不同濃度Mg2+或Zn2+摻雜CaWO4∶Eu3+(2%，3%)，按CaWO4∶Eu3+的化學(xué)配比及表1中金屬離子的摻雜濃度(以上均為摩爾分?jǐn)?shù))，計(jì)算并稱量CaWO4(化學(xué)純)、Eu2O3(純度99.99%)、Mg2CO3(純度99.9%)、ZnO(純度99%)原料。將混合物放入研缽充分研磨30 min，放入剛玉坩堝，在微波馬弗爐中800 ℃煅燒2 h，取出自然冷卻到室溫，獲得Mg2+或Zn2+摻雜CaWO4∶Eu3+熒光粉。

用X射線衍射儀(XRD-6100，日本島津)分析合成樣品的物相結(jié)構(gòu)；用熒光光譜儀(FLS920，Edinburgh)測量樣品的紫外可見光譜、熒光衰減曲線及壽命，測量光譜時(shí)，對應(yīng)放入濾光片以消除雜散光。測量前儀器均進(jìn)行了校正，測量均在室溫下進(jìn)行。

表1 Mg2+或Zn2+摻雜CaWO4∶Eu3+樣品

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 晶體結(jié)構(gòu)

1，2，6，12，15號樣品的XRD譜如圖1所示。Eu3+、Mg2+、Zn2+摻雜CaWO4的樣品，其衍射峰位與CaWO4標(biāo)準(zhǔn)卡片PDF 41-1431符合較好，且無其他雜峰，這表明Eu3+、Mg2+、Zn2+摻入以置換固溶的形式進(jìn)入晶格，沒有影響CaWO4的四方晶相結(jié)構(gòu)。

圖1 樣品的XRD譜

3.2 光致發(fā)光性質(zhì)

圖2給出了1～9號樣品的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜，圖3給出了電荷遷移帶262 nm處、激發(fā)峰395 nm處及發(fā)射峰615 nm處的光強(qiáng)隨Mg2+或Zn2+摻雜濃度增加的變化情況。

圖2 1～9號樣品的激發(fā)光譜((a)、(c))和發(fā)射光譜((b)、(d))

1～9號樣品的激發(fā)光譜((a)、(c))和發(fā)射光譜((b)、(d))如圖2所示。在615 nm監(jiān)測下，在近262 nm處均存在一個(gè)寬帶。文獻(xiàn)報(bào)道247 nm附近寬帶是CaWO4的電荷遷移帶，Eu3+的電荷遷移帶在260 nm附近[15]，所以262 nm處寬帶來自W—O與Eu—O的電荷遷移帶的疊加。395 nm處的較強(qiáng)吸收來自Eu3+的7F0→5L6躍遷，464 nm處的吸收來自Eu3+的7F0→5D2躍遷，這兩處的激發(fā)峰和近紫外及藍(lán)光LED匹配較好。

圖3 1～9號樣品的激發(fā)及發(fā)射強(qiáng)度變化規(guī)律。(a)λex=262 nm；(b)λex=395 nm；(c)λem=615 nm。

相比CaWO4∶2%Eu3+，當(dāng)Eu3+濃度變?yōu)?%時(shí)，λex=395 nm激發(fā)下樣品在615 nm處的發(fā)光明顯增強(qiáng)，隨Mg2+或Zn2+摻雜濃度增加，粉體的發(fā)光強(qiáng)度也出現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的規(guī)律，如圖4所示。與3%Mg2+或3%Zn2+摻雜CaWO4∶2%Eu3+合成粉體發(fā)光比較，當(dāng)Eu3+濃度增加為3%時(shí)，粉體的發(fā)光強(qiáng)度分別提高了7.3倍和14.8倍。與單摻3%Eu3+樣品比較，當(dāng)共摻雜3%Mg2+或3%Zn2+時(shí)，粉體的發(fā)光強(qiáng)度分別提高了1.2倍和1.3倍。

經(jīng)比較，相同濃度Zn2+比Mg2+摻雜獲得樣品的發(fā)光要更強(qiáng)，這與Mg2+或Zn2+的離子半徑和電負(fù)性有關(guān)。與Ca2+(離子半徑0.1 nm)、Eu3+(離子半徑0.094 7 nm)相比，半徑較小的Mg2+(離子半徑0.072 nm)或Zn2+(離子半徑0.074 nm)易于取代Ca2+。由于Zn2+大于Mg2+的電負(fù)性，以至于共價(jià)性Zn—O比Mg—O強(qiáng)，而樣品的發(fā)光強(qiáng)度一定程度上受到配體與中心離子共價(jià)性的影響，共價(jià)性強(qiáng)的離子摻入將會引起發(fā)光中心發(fā)光增強(qiáng)[18]，所以相同濃度Zn2+比Mg2+摻雜獲得樣品的發(fā)光要更強(qiáng)。

圖4 樣品在615 nm(λex=395 nm)處的發(fā)射強(qiáng)度變化規(guī)律

Fig.4 Variation of emission intensity at 615 nm(λex=395 nm) for samples

由此可見，Mg2+和Zn2+可敏化Eu3+促進(jìn)發(fā)光。Mg2+或Zn2+金屬離子摻雜可使晶體場中Eu3+的對稱性降低，Eu3+的5D0→7F2電子躍遷幾率增加，發(fā)光增強(qiáng)。另外，Mg2+或Zn2+摻雜引起的晶格畸變程度增加，會導(dǎo)致晶格能量增加，為降低晶格能，激活中心Eu3+將盡可能均勻有序地分布于超格子中，降低發(fā)光中心間的交叉弛豫，減小近鄰離子的相互作用，從而提高粉體的發(fā)光強(qiáng)度[22]。隨著Mg2+或Zn2+摻雜過量，基質(zhì)中的間隙氧含量增加，形成更多的結(jié)構(gòu)缺陷，間隙氧會抑制發(fā)光作用，無輻射弛豫發(fā)生概率增加，導(dǎo)致發(fā)光強(qiáng)度減弱[23]。

3.3 能級衰減曲線及熒光壽命

用λex=262 nm及395 nm分別激發(fā)1～10及12、15號樣品，獲得Eu3+的5D0→7F2(λem=615 nm)熒光衰減曲線，并通過雙指數(shù)函數(shù)擬合[24]，獲得樣品5D0(λem=615 nm)能級壽命(見表2)，樣品的熒光壽命范圍為512～668 μs。其中樣品1，2，6，10，12，15的能級衰減如圖5(a)～(f)所示。

圖5 262 nm或395 nm激發(fā)下1(a),2(b),6(c),10(d),12(e),15(f)號樣品中Eu3+的5D0能級的熒光衰減曲線。

表2 樣品的5D0能級壽命

發(fā)光中心的能級壽命除了受到激發(fā)波長影響外，還會同時(shí)受到多種因素的影響，當(dāng)摻雜離子有敏化作用或?qū)Πl(fā)光中心有能量傳遞時(shí)，則會延長發(fā)光中心的壽命；由于金屬離子摻入，晶體場對稱性會降低，輻射躍遷幾率增加，壽命會減小；當(dāng)金屬離子摻雜濃度過量時(shí)，離子間交叉弛豫幾率增加，發(fā)光中心的壽命減小。

由上述分析可知，隨著Mg2+或Zn2+摻雜濃度增加，合成樣品中Eu3+的壽命與Eu3+濃度、晶場環(huán)境、共摻雜金屬離子的敏化作用、電負(fù)性和產(chǎn)生氧空位濃度等因素都有關(guān)，這些因素引起發(fā)光中心的能量吸收幾率、輻射及無輻躍遷幾率不同，最終影響樣品的發(fā)光及能級壽命。

4 結(jié) 論

用微波加熱-固相法合成了Mg2+、Zn2+摻雜CaWO4∶Eu3+紅色熒光粉。結(jié)果表明，不同濃度的Mg2+、Zn2+摻入CaWO4∶2%Eu3+以及CaWO4∶3%Eu3+，不影響CaWO4基質(zhì)的四方晶相。395 nm激發(fā)下，0.5%的Mg2+或Zn2+摻入CaWO4∶2%Eu3+，樣品在615 nm處發(fā)射強(qiáng)度分別提高了1.3倍和2.1倍。與3%Mg2+或Zn2+摻雜CaWO4∶2%Eu3合成粉體發(fā)光比較，當(dāng)Eu3+濃度增加為3%時(shí)，粉體的發(fā)光強(qiáng)度分別提高了7.3倍和14.8倍。3%的Mg2+或Zn2+分別摻入CaWO4∶3%Eu3+，樣品在615 nm處的發(fā)光分別提高了1.2倍和1.3倍。同一樣品，262 nm比395 nm激發(fā)下的Eu3+的5D0能級壽命均有所增加。與CaWO4∶2%Eu3+樣品相比較，Mg2+或Zn2+摻雜濃度增加時(shí)，合成樣品的熒光壽命先增加后減小。同樣激發(fā)波長下，與Mg2+或Zn2+摻雜CaWO4∶2%Eu3+樣品熒光壽命相比，Eu3+濃度增加為3%時(shí)，樣品的熒光壽命明顯變短。