稀土元素掺杂硼酸盐荧光材料的制备及其性能的研究

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稀土硼酸盐荧光材料因其良好的稳定性和荧光性能被广泛应用于现代照明,显示显象等领域。而这些荧光材料可能受制作合成方法及荧光材料基质的类型的限制,都存在着一些弱点。在基质中掺杂硼酸离子使得荧光材料的荧光性能得到有效提高,同时大量研究表明掺杂非稀土金属离子能够显著提高荧光材料的荧光性能。本论文采用溶胶-凝胶法制备不同稀土离子Eu3+、Tb3+、Ce3+激活的硼酸盐荧光薄膜,研究其结构性能与光学性能,添加Li+以及碱土金属离子Mg2+等使其荧光发光强度得到明显改善。  以稀土、硝酸盐和硼酸作为原料合成了YBO3∶RE3+(RE=Eu、Tb、Ce)薄膜。YBO3∶Eu3+为六方相结构,薄膜表面纳米颗粒平均粒径为100 nm、均方根(RMS)粗糙度为10nm,在PL光谱中于588 nm和616nm处分别呈现出橙色发光峰和红色发光峰,归因于Eu3+掺杂的(5D0→7F1)和(5D0→7F2)能级跃迁。并研究了Eu3+不同掺杂浓度的Y1-xEuxBO3(x=0.05、0.10、0.15、0.20)薄膜材料在空气中900℃退火1小时后的结构与性能。为单相六角晶体硼酸钇,薄膜表面光滑,呈多孔结构,均方根粗糙度为13 nm。红色光谱强度随着Eu掺杂浓度的增加而增加,显示出高效的红色发光光谱。  Y1-xTbxBO3(x=0.05、0.10、0.15)薄膜表面纳米晶体均匀排列,x=0.05时未能形成较高的结晶度,x=0.10时即表现高结晶度和较大的比表面积,x=0.15时薄膜表面出现大量缺陷。发射光谱强度随着Tb的掺杂浓度的增加先增加而后降低,Tb的掺杂浓度从5%增加到10%的时候,Y1-xTbxBO3薄膜的发光强度显著提高达到最强,增加至15%时发生浓度猝灭,发光强度降低。(Y(0.90-x),Li(x))BO(3-δ)∶Tb0.10薄膜与YBO3∶Tb薄膜XRD图谱中衍射峰位置大致一致。Li3+的添加充分的提高了(Y(0.90-x),LGOBO(3-δ)∶Tb0.10薄膜的结晶度。随着Li的掺杂浓度的进一步提高直至5%,薄膜表面出现团簇现象,并且薄膜表面的次级片层出现分层和堆积,出现明显较大额空隙,纳米颗粒之间的间隙不均匀。随着Li的掺杂浓度的增加先增加而后降低,Li+的掺杂浓度为3%的时候,(Y(0.90-x),Li(x))BO(3-δ)∶Tb0.10薄膜的发光强度显著提高达到最强。  Y1-xCexBO3(x=0.05、0.10、0.15)薄膜图谱中的衍射峰均能与六方晶相的YBO3特征峰符合。Ce3+的添加充分的提高了薄膜的结晶度,随着Ce3+的掺杂浓度的提高,衍射峰的强度随着提高。薄膜均方粗糙度为28 nm。在356 nm的紫外光激发下,Y1-xCexBO3薄膜均表现出Ce3+的特征d-f发射。Ce3+的掺杂发射光强度明显增强。(Y(0.90-2x),Li(x),Mg(x))BO(3-δ)∶Ce0.10薄膜图谱中衍射峰均能与六方晶相的YBO3特征峰符合。Li+和Mg2+的共掺充分的提高了(Y(0.90-2x),Li(x),Mg(x))BO(3-δ)∶Ce0.10薄膜的结晶度。Ce3+、Y3+离子的质量百分比的比值接近于1∶9,在Li+和Mg2+掺杂下,薄膜比表面积显著增加,同时显示出较高的结晶度,薄膜均方粗糙度降为6 nm。Li+和Mg2掺杂后,发射光谱强度明显增强,Li+和Mg2掺杂量为6%时发射光强度达到增强,并且峰值蓝移至411 nm。Li+和Mg2掺杂量为10%时,发生浓度猝灭,发光强度降低。
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