3GaO6:Sm3+橙色-红色发光纳米荧光粉的结构与光致发光研究

采用溶液燃烧法合成了具有不同Sm³⁺离子掺杂浓度的钇镓氧化物（Y₃GaO₆，简称YGO）荧光粉。对制备的荧光粉进行了多种光谱和结构分析，以研究其结构和光学特性。通过X射线衍射（XRD）计算了晶体结构和相特征。借助Rietveld精修分析，确认了所考虑材料的正交晶系相，空间群为Cmc2₁。分别使用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和能量色散X射线（EDX）光谱深入研究了形态特征和元素组成。在406 nm激发下，所有Sm³⁺掺杂的YGO样品在610 nm处均表现出强烈的橙色发射，这归因于⁴G_5/2 → ⁶H_7/2跃迁。衰减曲线显示出双指数行为，表明YGO宿主中存在两种类型的晶体学位置。研究发现3 mol%的Sm³⁺离子掺杂浓度是最优的，产生了最大的橙色发射。光致发光（PL）观察表明，偶极子-偶极子相互作用是导致浓度猝灭现象的原因。所有材料的测量色坐标均位于CIE三角的橙红色区域，使其适用于照明应用。

在全球能源危机和气候变化引发的复杂性日益加剧的背景下，传统荧光灯和白炽灯已因其较长的使用寿命、高光效、良好的环境保护特性、增强的光学性能等优势，被白光发光二极管（WLEDs）成功取代。目前，商用WLEDs通常使用涂覆有Ce³⁺:YAG（一种黄色荧光粉）的蓝色芯片来产生白光。然而，这种混合光具有高相关色温（CCT）和低显色指数（CRI）的缺点。为了避免这些局限性，三基色（红、绿、蓝或RGB）荧光粉被用于产生白光，但该方法也存在发光效率低、颜色比例调整和光重吸收等诸多限制。因此，由于缺乏合适的红色组分，商用WLEDs显得不足。因此，迫切需要开发一种环保且低成本的稳定红光发射荧光粉，用于WLED应用。在大多数情况下，掺Eu³⁺的荧光粉是理想的红色组分，但由于铕材料成本高，急需新的橙红色发射体。稀土掺杂荧光粉材料因其f-f和f-d跃迁分别提供尖锐和宽泛的发射，在照明和显示领域至关重要。其中，Sm³⁺离子因其等离子显示屏、激光器、彩色显示和固态照明（SSL）中的应用，被认为是产生橙红色发射最有效的激活剂之一。Sm³⁺的独特发射源自⁴G_5/2 → ⁶H_J（J = 5/2, 7/2, 9/2, 11/2）跃迁。具体而言，产生黄光的⁴G_5/2 → ⁶H_5/2跃迁是磁偶极跃迁，而产生红光的⁴G_5/2 → ⁶H_9/2跃迁是电偶极跃迁。此外，宿主基体的选择也很重要，因为宿主会影响掺杂离子的PL特性。在众多报道的宿主晶格中，镓酸盐宿主基体因其化学稳定性和掺入多种稀土离子的倾向而被视为最佳选择。本研究旨在利用溶液燃烧技术合成具有良好均匀性、纳米颗粒尺寸分散性和高纯度的Sm³⁺掺杂Y₃GaO₆系列荧光粉。

为开展研究，研究人员主要采用了溶液燃烧合成法，该方法利用放热反应生产均匀且高纯度的纳米颗粒，具有加工温度低和合成时间短的优点。合成原料包括高纯度的硝酸钇六水合物、硝酸镓水合物、硝酸钐六水合物和尿素。研究人员通过X射线衍射（XRD）、能量色散X射线（EDX）光谱、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）以及Rietveld精修技术，对样品的结构、形态和元素组成进行了详细分析，以评估其作为照明应用材料的适用性。

在“相结构与结构研究”部分，研究人员通过XRD图案确认所有样品均为纯相，具有正交晶系结构，空间群为Cmc2₁。Sm³⁺离子的有效取代导致了晶格膨胀，衍射峰向低2θ值移动。通过Debye-Scherrer公式和Williamson-Hall（W-H）方法计算了晶粒尺寸和微应变，结果显示W-H方法估算的晶粒尺寸较大，这归因于应变效应的影响。在“Rietveld结构精修”部分，使用FULLPROF程序对宿主和优化后的掺杂样品进行了精修。精修参数证实了材料的高纯度，且晶格参数的增加进一步证实了Sm³⁺离子已成功进入晶格。在“EDX分析”部分，EDX光谱和元素映射证实了Y、Ga、O和Sm元素的均匀分布，且无杂质峰，验证了单相材料的成功合成。在“形态特征”部分，FE-SEM图像显示颗粒呈现团聚和不规则形状，平均粒径在40–60 nm范围内，适合照明设备应用。

在“光致发光研究”部分，首先分析了激发和发射光谱。在406 nm激发下，样品在610 nm处表现出最强的橙红色发射，对应于Sm³⁺离子的⁴G_5/2 → ⁶H_7/2跃迁。在“不对称比”部分，研究人员计算了电偶极跃迁强度与磁偶极跃迁强度的比值（R），发现R > 1，表明Sm³⁺离子位于晶格中的不对称位置。在“寿命测量”部分，衰减曲线显示双指数行为，表明存在两种不同的晶体学位置。随着Sm³⁺浓度的增加，实验寿命从3.259 ms线性降低至1.978 ms，符合Auzel模型，量子效率较高。在“浓度猝灭”部分，发现3 mol%是最佳掺杂浓度，超过此浓度后发光强度下降。通过计算临界距离（20.7490 Å）和Van Uitert模型拟合，确定猝灭机制主要由偶极子-偶极子相互作用引起。在“温度依赖的光致发光”部分，研究了材料在298 K至498 K范围内的热稳定性。发射强度随温度升高而降低，但在473 K时仍保留71.8%的初始强度。通过Arrhenius模型计算得到激活能为0.337 eV，表明材料具有良好的热稳定性。在“颜色参数”部分，CIE 1931色坐标位于橙红色区域，相关色温（CCT）在1800–2100 K之间，属于暖白光，颜色纯度较高。

讨论部分总结了Sm³⁺掺杂Y₃GaO₆荧光粉的综合性能。研究人员指出，溶液燃烧法成功制备了具有高纯度和良好结晶性的纳米荧光粉。结构分析确认了正交晶系结构和Sm³⁺的有效取代。光学性能研究表明，该材料在406 nm激发下发出强烈的橙红色光，具有高的量子效率和良好的热稳定性。浓度猝灭机制被确定为偶极子-偶极子相互作用，最佳掺杂浓度为3 mol%。色坐标位于CIE图的橙红色区域，适合用于固态照明。

结论部分指出，研究人员成功使用溶液燃烧法合成了具有不同Sm³⁺掺杂浓度的Sm³⁺掺杂钇镓氧化物（Y₃GaO₆）荧光粉。结构表征确认了正交晶系结构。光致发光研究显示，在406 nm激发下，所有样品在610 nm处均表现出显著的橙色发射，源于Sm³⁺离子的⁴G_5/2 → ⁶H_7/2跃迁。衰减曲线的双指数行为归因于YGO宿主中两种不同的晶体学位置。最佳掺杂水平为3 mol%，产生了最高的发射强度。在此浓度以上，由于Sm³⁺离子之间的偶极子-偶极子相互作用引起的浓度猝灭效应，发光强度降低。从光致发光光谱得出的色坐标位于CIE图的橙红色部分，表明这些材料适用于照明应用。该论文发表在《RSC Advances》上，为开发高效的橙红色发光材料用于WLEDs提供了有力的实验依据和理论支持。