Tb³⁺激活的钡铝铅硼酸盐玻璃在绿色LED中的应用及其光致发光特性

Tb³⁺掺杂BaAlPbB玻璃通过熔淬法制备，分析表明2.5 mol%浓度时绿光发射强度最大且CIE坐标接近标准值，XRD和FT-IR证实非晶结构及网络结构，UV-Vis-NIR和寿命衰减分析揭示浓度淬灭及能量传递机制，Judd-Ofelt参数显示Ω₂>Ω₄>Ω₆稳定趋势，证实其作为高效环保LED荧光材料的潜力。

作者：Isha、Ravina、Nisha Deopa、D Haranath、A.S. Rao

印度哈里亚纳邦Jind市Rohtak Bypass Road，Chaudhary Ranbir Singh大学物理系，邮编126102

摘要

通过熔融淬火技术制备了掺铽的铝酸钡铅硼酸盐玻璃，并改变了Tb³⁺离子的浓度以评估其光子性能。X射线衍射证实了这些玻璃的非晶态特性，而傅里叶变换红外（FT-IR）分析揭示了玻璃网络的结构单元。紫外-可见-近红外（UV–Vis–NIR）吸收光谱用于分析Tb³⁺离子的局部环境并确定Judd–Ofelt强度参数。在近紫外激发下，这些玻璃表现出特征性的Tb³⁺离子发射，主要来自5D₄ → 7F₇（J = 3–6）跃迁，其中5D₄ → 7F₅跃迁在542纳米处有强烈的绿色发射。随着Tb³⁺离子浓度的增加，发射强度先增加，随后由于浓度淬火效应而降低。掺2.5摩尔% Tb³⁺的BaAlPbBTb玻璃的CIE色度坐标为（0.3114, 0.5580），接近EBU标准。所有掺Tb³⁺的BaAlPbB玻璃样品的Judd–Ofelt参数均呈现Ω₂ > Ω₄ > Ω₆的统一趋势。通过制备玻璃的衰减曲线估算了实验寿命、能量转移参数和供体-受体相互作用机制。发光衰减表现出双指数行为，且在高Tb³⁺离子浓度下寿命缩短，这是由于能量转移效应所致。X射线光电子能谱（XPS）研究确认了样品中各种元素的元素状态和化学组成。这些结果表明，所制备的玻璃适合作为三色白光LED应用中的绿色发光体。

引言

在现代，由于全球向可持续能源的转型，对经济高效且环保的照明解决方案的需求日益增长。传统的白炽灯和荧光灯存在效率低、寿命短以及环境影响等问题，而白光发光二极管（w-LED）则具有高发光效率、低功耗、优异的热稳定性和长使用寿命，使其成为现代照明的理想选择[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。然而，传统的磷光体转换w-LED在高温工作环境下会经历热降解，导致效率下降和长期性能损失[[7], [8]]。磷光体转换w-LED的性能取决于激发源的效率和磷光体材料。Chen等人最近报道的紫外LED光提取效率的提升，为开发高效绿色发光的Tb³⁺掺杂硼酸盐玻璃磷光体提供了支持，这些磷光体可用于先进的光子应用[[9]]。

稀土（RE）离子掺杂玻璃因其尖锐的发射带、长的激发态寿命以及来自4f–4f跃迁的高量子效率而在光子和光电子应用中成为关键材料[[10,11]]。这促使人们加大了对这些材料的研究力度，以优化其用于节能照明的性能。此外，掺杂稀土离子的玻璃材料在各种先进技术领域展现出巨大潜力。由于独特的光谱、热和机械性能，这些材料在储能设备、集成光子电路（如波导）、固态照明器和宽带光网络中至关重要[[12,13]]。在高性能光电子系统中，将稀土离子掺入玻璃基质可以提高能量转移效率、光限制和光增益，这些都是优化系统性能的关键因素。选择合适的基质是研究材料发光特性的重要挑战。在各种氧化物基质中，基于硼酸盐的玻璃因其高光学透明度、良好的稀土溶解度、低熔点以及经济的制造成本而具有吸引力[[14], [15], [16]]；然而，它们较高的声子能量（约1300 cm⁻¹）常常通过非辐射弛豫限制了辐射效率[[17,18]]。为了降低声子能量，通常会用碱金属氧化物、氟化物和重金属添加剂修改玻璃网络。尽管Al₂O₃具有电绝缘性，但其热导率约为30 Wm⁻¹K⁻¹，常用于玻璃配方中，对保护金属铝免受腐蚀非常有效。向玻璃模具中添加Al₂O₃可以通过作为网络改性剂来提升稀土掺杂硼酸盐玻璃的发光性能以及化学和热机械稳定性[[19,20]]。氧化铅是最有效的玻璃网络改性剂之一，广泛应用于商业低温玻璃配方中，早期研究表明PbO在掺入玻璃基质时既可作为网络形成剂也可作为改性剂[[21]]。同时掺入这两种氧化物可形成结构紧凑、化学稳定的玻璃基质，降低声子能量，提高极化率，并增强热稳定性和机械稳定性。这种协同作用促进了稀土-氧键的强化，抑制了玻璃的失透现象，并提高了能量转移效率，从而改善了发光性能。因此，铝酸钡铅硼酸盐玻璃系统是一种新型且优化的基质，结合了结构坚固性和优异的光学效率，非常适合用于稀土激活的绿色发光和w-LED应用[[22]]。

Tb³⁺离子在所有稀土离子中尤为突出，适用于广泛的技术应用[[23]]。它被广泛用于白光发光二极管（w-LED）、生物医学成像和 neutron检测等领域。Tb³⁺掺杂玻璃在这些应用中发挥着重要作用，因为它们的绿色发射与人眼的敏感峰值相匹配，从而提高了可见度和照明效率[[10]]。Tb³⁺离子的发光主要来自5D₄ → 7F₇（J = 3–6）跃迁，受掺杂浓度、激发波长和基质组成的显著影响。在近紫外激发下，可以观察到蓝色（5D₃ → 7F₇）和绿色（5D₄ → 7F₇）发射。因此，光致发光研究对于理解Tb³⁺激活玻璃系统的能级结构、能量转移机制和发光效率至关重要[[24,25]]。

多项研究试图通过基质工程和掺杂剂优化来克服Tb³⁺激活玻璃磷光体的发光效率和浓度淬火问题。Vijayasri等人报道了Tb³⁺掺杂的锶锌硼酸盐玻璃在542纳米处有强烈的绿色发射，最佳掺杂浓度为2.5摩尔%，并通过CIE和CCT分析确认了其适用于照明应用[[26]]。Beriham Basha等人研究了Tb³⁺氧化物在PbO/Bi₂O₃钠硼酸盐玻璃中的掺入效果，发现了显著的结构和光学变化[[23]]。Zheng等人表明，紫外激发的Tb³⁺掺杂氟化物-氧化物玻璃表现出以5D₄ → 7F₇跃迁为主的强绿色发射，而在较高Tb³⁺浓度下，5D₃能级的蓝色发射被抑制[[27]]。同样，Saleh等人报道了Tb³⁺掺杂氟硼酸盐玻璃在可见光激发下具有浓度依赖的发光现象，其中5D₄ → 7F₅跃迁的绿色发射较强[[28]]。Swapna等人进一步证实，优化Tb³⁺浓度（约2.5摩尔%）的ZnAlBiB玻璃可以最小化非辐射损失并最大化绿色发射效率[[29]]。总体而言，这些研究表明，定制玻璃组成和Tb³⁺浓度对于增强绿色发射至关重要；然而，仍需进一步探索热稳定和组成协同的玻璃系统。除了传统的无机稀土掺杂磷光体外，Li等人最近还探索了具有室温磷光特性的生物启发式有机材料用于先进照明[[30]]。相比之下，本研究重点关注高效稳定的Tb³⁺掺杂硼酸盐玻璃磷光体在光子应用中的潜力[[30]]。

在本研究中，通过大量掺杂Tb³⁺离子来增强玻璃的发光性能。采用光致发光（PL）光谱技术评估了合成材料的发光性能，以评估其大规模应用的潜力。进行了全面的光谱分析并结合光致发光淬火研究，以评估合成玻璃的稳定性、效率和长期性能。此外，还进行了结构和热性能评估，以考察这些材料在各种环境条件下的适应性[[24],[31],[32],[33]]。目标是开发一种能够克服传统磷光体系统热效率和性能限制的玻璃基质，从而使其在节能w-LED、显示技术和先进光电子设备中得到应用。

样品合成

样品合成

在本研究中，通过熔融淬火工艺合成了七种不同的样品。玻璃的化学组成为：50H₃BO₃-(35-x)Ba₂O₃-10Al₂O₃-5PbO-xTb₄O₇，其中x的值为0.1、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5和3.0（摩尔%）。

合成过程首先精确称量了高纯度（99.99%）的起始材料，包括H₃BO₃、Ba₂O₃、Al₂O₃、PbO和Tb₄O₇，每批的质量固定为6克。

物理参数估算

利用实验测得的折射率和密度，计算了合成BaAlPbBTb玻璃的多个物理参数。使用文献中的适当理论表达式得到计算结果，并列于表1中。使用 vernier 卡尺测量了合成BaAlPbBTb玻璃的厚度，结果在1.78至1.93毫米之间。随着BaAlPbB玻璃中Tb³⁺离子浓度的增加，厚度呈上升趋势。

结论

通过熔融淬火技术成功合成了掺Tb³⁺的铝酸钡铅硼酸盐（BaAlPbB）玻璃，并系统地评估了其结构、光学和发光性能。发现玻璃的物理性质对Tb³⁺掺杂浓度敏感。XRD分析证实了制备的BaAlPbB玻璃的非晶态特性。UV–Vis–NIR研究有助于计算关键的光学参数，包括消光比等。

致谢

其中一位作者Isha女士非常感谢CSIR - HRDG授予她的初级研究奖学金（JRF）（文件编号09/1347(16514)/2023-EMR-I）。通讯作者Nisha Deopa博士感谢新德里科学与工程研究委员会在SERB-SURE资助项目（批准编号SUR/2022/005570，日期2023年11月20日）下的研究资助。

作者贡献声明

Isha：撰写——原始草稿、可视化、方法论、数据管理、概念构思。 Ravina：软件、资源管理、数据管理。 Nisha Deopa：撰写——审稿与编辑、监督、软件使用、正式分析。 D Haranath：资源提供、正式分析。 A.S. Rao：资源提供、正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。