新型Y（Zr）AG:Ce，Eu熒光粉的合成與表征

王佳諾

摘要：在本文中，采用Ce、Eu、Zr共摻雜YAG基體，其中Zr作為熒光粉基質(zhì)材料，Ce和Eu作為發(fā)光中心，從而制備出一種全新的Y（Zr）AG：Ce， Eu熒光粉。

1引言

傳統(tǒng)的藍色晶體和黃色熒光粉組合因缺少紅光成分而顯色性較差，光源顯示冷光，飽和度差。因此，改性YAG：Ce熒光粉，使其添加紅光成分，成為一種提高YAG：Ce熒光粉發(fā)光性能的新型途徑。

Eu3+的最外層電子結(jié)構(gòu)為4f6，其發(fā)射光譜波長位于紅色區(qū)域，在發(fā)光材料和LED顯示方面，用Eu3+進行了較多的摻雜。因此考慮到對YAG基體進行Ce、Eu共摻雜，從而制備同時發(fā)黃光和紅光的熒光粉。

鋯酸鹽具有高熔點、低導(dǎo)熱系數(shù)、高化學穩(wěn)定性、優(yōu)良的離子導(dǎo)電性等優(yōu)良性能。鋯酸鹽廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如熱障涂層材料、耐火材料和發(fā)光材料。鋯酸鹽作為一種具有優(yōu)異發(fā)光性能的基質(zhì)材料，近年來在稀土發(fā)光材料領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

2結(jié)構(gòu)分析

之前的文獻中已確定Ce和Eu的最佳摻雜比例為xCe=0.06，xEu=0.06，故固定采用此摻雜濃度。

從不同Zr摻雜量的Y（Zr）AG：Ce，Eu樣品的XRD圖譜中可以看出，當摻雜濃度為xZr=0.5和1時，樣品的衍射圖譜表明，所有峰均符合YAG相（PDF#88-2047）的立方石榴石結(jié)構(gòu)，沒有發(fā)現(xiàn)其他晶相。在其他XRD圖譜上，當摻雜濃度為xZr=1.5時，出現(xiàn)了Zr5Al3O0.5（PDF#82-0494）弱主峰。當摻雜濃度為xZr=2時，YAG和Zr5Al3O0.5相同時出現(xiàn)。結(jié)果表明，隨著Zr摻雜濃度的增加，樣品不再是單一的YAG相，出現(xiàn)了Zr5Al3O0.5的六方結(jié)構(gòu)。

從離子半徑的角度出發(fā)，Y、Al、Ce、Eu、Zr的離子半徑與配位情況可以看出，六配位的Y、Ce、Eu、Zr的離子半徑比較接近，分別為Y（0.9）、Ce（1.01）、Eu（0.947）、Zr（0.72），而Al無論是四配位還是六配位，離子半徑與上述離子相差很大（分別是0.39和0.535）。因此可以認為，Ce、Eu、Zr共摻雜后取代了Y的位置。

在其他圖線上，當摻雜比例為1.5時，開始有的微弱的主峰出現(xiàn)。當摻雜比例為2時，同時出現(xiàn)了YAG和的相。這說明，當Zr的摻雜比例變大時，樣品不是單一的YAG相了，六邊形結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)了。

通過 MDI Jade 5.0 程序?qū)（Zr） AG：Ce，Eu的XRD 譜線進行全譜擬合，計算結(jié)果表示，由于xZr=2的主相不再是YAG，故不對其進行全譜擬合。可以看出，摻雜Zr的熒光粉的其晶胞參數(shù)與立方晶系Y3Al5O12：Ce，Eu基本一致， Zr的摻雜并沒有使樣品主體的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的變化。但是可以看到，隨著Zr摻雜濃度的增加，相應(yīng)的晶胞參數(shù)逐漸減小，這是由于 Zr的離子半徑（0.072nm， CN= 6）小于 Y的離子半徑（0.09nm，CN= 6） ，Zr取代 Y會引起基質(zhì)晶格的收縮。

3形貌分析

純YAG的SEM照片可以看到顆粒尺寸很均勻，很少團聚，以1μm為單位放大，可以看出顆粒的最小尺寸為2μm。摻雜Zr的其他樣品的SEM照片，以2μm為單位放大。其中xZr=0.5和xZr=1的樣品顆粒尺寸小，分布均勻，不易團聚。尤其xZr=1的樣品，最小顆粒也為2μm，粉體的顆粒很好。這是由于摻雜Zr之后，晶體結(jié)構(gòu)收縮，從而粒徑更小，結(jié)晶性更好。同時由于Zr是+4價，比Y3+多一個正電荷，故Zr取代Y之后，熒光粉顆粒間相互排斥，從而分布的更均勻，不容易團聚。然而，xZr>1以上的組分顆粒尺寸大，團聚現(xiàn)象嚴重。這是因為隨著Zr摻雜濃度的增大，產(chǎn)生了雜相，顆粒之間相互影響，造成了團聚。

4發(fā)光性能分析

由于采用InGaN/GaN基藍光二極管激發(fā)熒光粉來制備白光LED，故采用InGaN/GaN的藍光發(fā)射波長460nm對制備的熒光粉進行激發(fā)，從而獲得在460nm下的發(fā)射光譜。

可以看出未摻雜Zr的和Zr的摻雜量為0.5的樣品，在530nm和692nm處各有一個尖銳的峰，分別是Ce3+和Eu3+的特征發(fā)射峰，分別對應(yīng)于Ce3+的5D→2F5/2躍遷和Eu3+的5D0→7F4躍遷。而Zr摻雜量大于0.5的樣品的發(fā)射光譜譜圖，除了上述的兩個峰外，在575nm、588nm、611nm和654nm處，也有相應(yīng)的峰值。這些特征發(fā)射峰，分別對應(yīng)于Eu3+的5D0→7F0、5D0→7F1、5D0→7F2、5D0→7F3躍遷。眾所周知，Eu的發(fā)射光譜峰值和Eu在基質(zhì)晶格中的位置有關(guān)。當Eu3+不取代基質(zhì)晶格的對稱中心的位置時，電偶極躍遷5D0→7F2會出現(xiàn)，而當Eu3+位于基質(zhì)晶格的對稱中心時，磁偶極躍遷5D0→7F1會出現(xiàn)。這說明，在Zr的摻雜濃度較低時（xZr=0和0.5），Ce取代Y的取代量較大，Eu取代了較少的y，沒有占據(jù)中心對稱和局域?qū)ΨQ的Y的位置。而隨之Zr摻雜濃度變大（xZr=1、1.5和2時），Y離子減少，Eu離子占據(jù)了中心對稱和局域?qū)ΨQ的位置，磁偶極躍遷和電偶極躍遷出現(xiàn)了。這說明當zr摻雜量增大時，橙紅光組分增加，相比于xZr =0和xZr =0.5的樣品，熒光粉的顏色更加多樣化。

從不同摻鋯磷光體的發(fā)射光譜強度可以看出，Ce3+的5D→2F5/2躍遷強度最高，因此在整個熒光粉中，綠-黃光強度最高。Eu3+的第二高峰強度為5D0→7F2，呈橙紅色。結(jié)果表明，Eu3+發(fā)光強度以綠黃光最大（530nm），其次為橙紅光（616nm），然后是5D0→7F0和5D0→7F1。比較不同Zr摻雜組分的樣品，發(fā)現(xiàn)當摻雜比為xZr=1時，熒光粉各峰的發(fā)光強度最高。結(jié)合XRD和SEM分析表明，組成為xZr=1的熒光粉保持了YAG的結(jié)構(gòu)，沒有其他雜質(zhì)。所得粉末形貌好，粒徑小，分布均勻，無團聚現(xiàn)象。因此，可以確定磷光體的最佳摻雜比為xZr=1。通過摻雜鋯，與YAG：Ce，Eu（xZr=0）比較，新型Y（Zr）AG：Ce，Eu熒光粉具有更高的色度和更多的橙紅光波長。因此，新型Y（Zr）AG：Ce，Eu熒光粉是一種在白光LED領(lǐng)域應(yīng)用的潛在色飽和熒光粉。

5結(jié)論

比較各摻雜組分的樣品，可以看出當摻雜比例為xZr=1時，熒光粉的在各峰值的發(fā)光強度均為最高。結(jié)合XRD圖和SEM圖譜，該組分保持了YAG的結(jié)構(gòu)沒有其他雜項，粉體顆粒相貌好，尺寸小，分布均勻，無團聚。因此可以確定該熒光粉的最佳摻雜比例為xZr=1。通過摻雜Zr，相比于YAG：Ce，Eu（xZr =0），YAG熒光粉的色彩度更高了，增加了更多波長的橙紅光。因此，熒光粉是一種潛在的色彩度飽和的熒光粉。