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Ca_9ZnLi(PO_4)_7陶瓷的电学性能、Eu~(3+)离子的发光与微结构研究

魏东磊  
【摘要】:Eu~(3+)是最主要的红发光激活离子,在照明和显示等领域得到了广泛的应用。Eu~(3+)还是结构探针离子,晶体学结构的微小变化在其选择激发和发射光谱上会得到不同的5D0→7F0跃迁,对应不同的发光光谱和衰减变化。根据Eu~(3+)结构探针这个特点,可以研究稀土离子所处的晶体学环境,提供基质中不同发光中心的格位对称性,进而给出微结构的信息。 本论文选择了具有β-Ca_3(PO_4)_2结构的Ca_9ZnLi(PO_4)_7为基质材料,采用高温固相反应制备了红发光荧光粉。利用XRD、SEM、荧光光谱仪对其进行了结构及发光性能表征,并详细研究了Ca_9ZnLi(PO_4)_7:Eu~(3+)的激发和发射光谱、发光衰减、发光热稳定性和作为白光LED荧光粉的潜在应用;利用Eu~(3+)的激光位置选择激发和发射光谱技术,分析了Eu~(3+)离子在Ca_9ZnLi(PO_4)_中的结晶学位置特征。同时利用无压烧结方法制备了Ca_9ZnLi(PO_4)_7陶瓷,通过介电、阻抗等测试手段分析了该陶瓷的电学性能。 第三章,应用X射线粉末衍射(XRD)、差热分析(DTA)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等测试方法研究了Ca_9ZnLi(PO_4)_7:Eu~(3+)的物相组成,分析了结构特征。结果表明,固相合成的Ca_9ZnLi(PO_4)_7:Eu~(3+)为纯相的白磷钙矿(whitlockite-type)六方结构,空间群为R3c,Z=6,具有与β-Ca_3(PO_4)_2相同的结构。Eu~(3+)离子掺入Ca_9ZnLi(PO_4)_7晶格后取代Ca_2+的位置。研究了Eu~(3+)离子不同浓度掺杂的发光光谱,当掺杂浓度超过7%摩尔出现浓度猝灭。在近紫外光激发下,Ca_9ZnLi(PO_4)_7:Eu~(3+)发出强烈的红光(614 nm),来自Eu~(3+)离子的5D0→7F2的电偶极跃迁,发光色度为(x=0.65, y=0.34),接近国际标准红色色度(x=0.67, y=0.33),发光具有较好的热稳定性能。 第四章,使用激光位置选择激发和发射技术探讨了基于Eu~(3+)离子的光谱探针信息,分析了该材料中的局域结构的特征及对发光性质的影响、Eu~(3+)在不同温度下发光光谱和衰减(发光寿命)特征。实验证实,在Eu~(3+)掺杂的Ca_9ZnLi(PO_4)_7中,Eu~(3+)的配位环境有四种,具有四种发光中心,对应Eu~(3+)占据Ca_9ZnLi(PO_4)_7晶格中四种不同钙的位置。不同温度下(10-300 K)的选择发射光谱表明,Eu~(3+)离子在整个晶格之中的分布呈现高度的随即性,5D0的荧光寿命呈现随着温度的升高反常增加的特性。 第五章,采用无压烧结法制备了Ca_9ZnLi(PO_4)_7陶瓷,对其介电常数,介电损耗、阻抗、电导率,激活能进行了研究。结果揭示在介电图谱中可以看出在440℃时存在反常,和其它具有β-Ca_3(PO_4)_2结构的磷酸盐相比,Ca_9ZnLi(PO_4)_7晶格之中锌、锂的存在降低了相转变温度。阻抗谱图揭示了在Ca_9ZnLi(PO_4)_7陶瓷中存在两种电导机制。高温与低温不同的激活能是由于随着温度的升高,锌与锂较容易的分别占据Ca_(5)与Ca_(4)的位置,从而改变了钙离子的运动途径所致。这也说明Ca_9ZnLi(PO_4)_7是一种新的复合导体。 第六章,通过改良的Bridgeman法生长了NaBi(WO_4)_2:Nd~(3+)晶体,研究了其上转换发光性能。利用其光吸收光谱、激发光谱与上转换荧光光谱,揭示了Nd~(3+)在晶体中出现蓝光、紫光、绿光的上转换发光,并分析了Nd~(3+)在NaBi(WO_4)_2晶体中的能级结构,与上转换机理。 本论文创新点是:首次研究了Eu~(3+)掺杂Ca_9ZnLi(PO_4)_7的发光性能,结果表明,该荧光粉可以被近紫外光有效地激发,并且发出610 nm左右的红光,是潜在的新型白光LED用红色荧光粉;利用稀土离子Eu~(3+)的结构探针技术研究了Ca_9ZnLi(PO_4)_7的微结构,归属了Eu~(3+)在Ca_9ZnLi(PO_4)_7中的四种发光中心;通过对Ca_9ZnLi(PO_4)_7陶瓷介电性能的研究揭示了该陶瓷是一种新型的复合导体。


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