锗酸盐Mg3Y2Ge3O12:Cr3+的近红外发光及其性能调控

论文摘要

本文采用高温固相法,合成了Mg3Y2Ge3O12:x Cr3+、Mg3Y2Ge3O12:0.03Cr3+,y Bi3+以及（Mg1-z Lnz）3Y2Ge3O12:0.03Cr3+（Ln=Zn,Ca）一系列近红外荧光粉。通过引入敏化剂、调控基质组分等手段改善样品的近红外发光特性。利用X射线衍射图谱、瞬态/稳态荧光光谱、热释光谱、余辉衰减曲线等表征手段对样品的性能进行了研究,得到了超宽近红外发射LED,同时样品具有良好的余辉特性。结果如下:（1）采用高温固相法合成了以Cr3+离子为激活剂,Mg3Y2Ge3O12为基质的近红外宽谱发射荧光粉材料。系统的研究了基质Mg3Y2Ge3O12的基本结构及相关性质,同时对样品Mg3Y2Ge3O12:x Cr3+的晶体结构、发光特性、激活离子占位、结晶性、粒度分析、晶体场环境变化等进行了研究。首先通过X射线光电子能谱分析确定了Cr在基质中的价态为正三价。然后以Mg3Y2Ge3O12为初始结构,通过Rietveld结构精修对Cr3+离子在基质Mg3Y2Ge3O12中的占位情况进行了详细研究。Mg3Y2Ge3O12:x Cr3+在波长为436 nm光的激发下可以获得650 nm-1200 nm的近红外宽谱发射（4T2→4A2）。随着Cr3+离子浓度的增加光谱持续红移、半峰宽持续拓宽。基于Cr3+离子格位分析,通过增加Cr3+离子浓度调控晶体场强度并构造新的发光中心,进而改善其发光性能。从实验结果中可以得到,随着Cr3+浓度增大,Cr3+离子的发光强度出现了二次增强,且光谱主峰红移至811 nm,光谱半峰宽拓宽至226 nm。通过结构分析,将其归因于Mg2+与Ge4+产生了阳离子反转,出现了新的发光中心。最后结合广泛应用的蓝光LED芯片Ga N以及样品Mg3Y2Ge3O12:0.40Cr3+封装成近红外LED,其半峰宽可达到260 nm,光电效率和光功率分别约为6.6%和5.9 m W。（2）选择Bi3+离子作为敏化剂,采用高温固相法合成了Mg3Y2Ge3O12:y Bi3+和Mg3Y2Ge3O12:0.03Cr3+,y Bi3+一系列荧光粉材料。首先,通过XRD图谱、荧光光谱分析了在样品Mg3Y2Ge3O12:y Bi3+中Bi3+离子的占位情况以及发光特性。通过计算分析了Bi3+离子的电子跃迁分别来自1S0→3P1、1S0→1P1和金属-金属电荷转移（MMCT）。在样品Mg3Y2Ge3O12:0.03Cr3+,y Bi3+中引入Bi3+离子作为敏化剂,通过XRD图谱、荧光光谱、寿命衰减曲线、热释光谱以及余辉特性分析了样品的发光特性。随着Bi3+离子浓度的增加,Bi3+离子向Cr3+离子能量传递越来越明显,从而提高了Cr3+离子的发光强度。由于随着Bi3+离子的引入,形成了缺陷Bi Mg˙,同时Bi3+可以俘获电子形成电子陷阱Bi2+（Bi3++e-）。Bi Mg˙和Bi2+（Bi3++e-）都可以在紫外灯（254 nm）辐照下储存电子。样品在紫外灯辐照后会产生余辉发光现象,余辉时间可以达到5400 s。因此,共掺敏化剂Bi3+可以有效提高近红外发光强度并使材料获得余辉特性。（3）为了进一步改善样品的发光特性,采用了调控基质组分的方式进行实验。通过高温固相法合成了样品（Mg1-x Lnz）3Y2Ge3O12:0.03Cr3+（Ln=Zn,Ca）。通过XRD结构精修、荧光光谱、寿命、缺陷、余辉等分析了Zn/Ca的引入对Cr3+离子发光性能的影响。随着Zn的含量的增多导致Cr3+离子发光强度增强同时光谱红移（776 nm→830 nm）、半峰宽展宽（189 nm→227 nm）,样品的余辉时间可以达到4000 s;随着Ca含量的增加,Cr3+的发光强度出现了明显的增强,其增幅要优于Zn对基质的调控,同时光谱蓝移（776 nm→753 nm）、半峰宽变窄（189 nm→136 nm）,其余辉时间可以达到4小时。通过计算分别得到样品（Mg1-z Znz）3Y2Ge3O12:0.03Cr3+中的陷阱深度为0.23 e V,样品（Mg1-z Caz）3Y2Ge3O12:0.03Cr3+中陷阱深度0.67 e V。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 本文的研究内容
• 第2章 基本概念、样品制备和表征
•   2.1 基本概念
• 3+离子和过渡金属Cr³⁺的光谱特性'>  2.2 Bi³⁺离子和过渡金属Cr³⁺的光谱特性
• 3+离子的光谱特性'>    2.2.1 Bi³⁺离子的光谱特性
• 3+离子的光谱特性'>    2.2.2 Cr³⁺离子的光谱特性
•   2.3 调控材料发光性能的方式
•     2.3.1 能量传递
•     2.3.2 基质组分调控
•   2.4 样品制备流程
•     2.4.1 实验材料
•     2.4.2 样品制备过程
•   2.5 样品的表征方法
• 3+离子掺杂MYG近红外发光材料性能研究'>第3章 Cr³⁺离子掺杂MYG近红外发光材料性能研究
•   3.1 引言
•   3.2 结果与讨论
•     3.2.1 基质结构及性能分析
• 3+离子掺杂的发光性能及结构分析'>    3.2.2 低浓度Cr³⁺离子掺杂的发光性能及结构分析
• 3+离子掺杂的发光性能及结构分析'>    3.2.3 高浓度Cr³⁺离子掺杂的发光性能及结构分析
•     3.2.4 近红外LED的制备及性能测试
•   3.3 结论
• 3+作敏化剂对MYG:0.03Cr³⁺发光性能的调控及研究'>第4章 Bi³⁺作敏化剂对MYG:0.03Cr³⁺发光性能的调控及研究
•   4.1 引言
•   4.2 结果与讨论
• 3+离子掺杂MYG的合成及发光特性分析'>    4.2.1 Bi³⁺离子掺杂MYG的合成及发光特性分析
• 3+,yBi³⁺的合成及发光特性分析'>    4.2.2 MYG:0.03Cr³⁺,yBi³⁺的合成及发光特性分析
• 3+,yBi³⁺的余辉特性分析'>    4.2.3 样品MYG:0.03Cr³⁺,yBi³⁺的余辉特性分析
•   4.3 总结
• 3+发光性能的改善'>第5章 Zn/Ca调控基质组分实现MYG:0.03Cr³⁺发光性能的改善
•   5.1 引言
•   5.2 结果与讨论
•     5.2.1 晶体合成及结构分析
• 1-zLn_z)₃Y₂Ge₃O₁₂:0.03Cr³⁺（Ln=Zn/Mg）的发光特性'>    5.2.2 样品(Mg_1-zLn_z)₃Y₂Ge₃O₁₂:0.03Cr³⁺（Ln=Zn/Mg）的发光特性
•     5.2.3 余辉特性
•   5.3 总结
• 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 仇克亮

导师: 李盼来

关键词: 荧光粉,基质调控,能量传递,近红外发射

来源: 河北大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,有机化工

单位: 河北大学

基金: 国家自然科学基金(编号:51672066),河北省杰出青年基金(编号:A2015201129,A2018201101),河北省“三三三人才工程”培养经费资助(编号:A2016002013)

分类号: O482.31;TQ422

总页数: 73

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