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在白光LED的研究领域中,荧光粉起到了至关重要的作用,特别是单基质的多色荧光粉近年来更是人们研究的热点。关于镁铝尖晶石掺杂过渡离子的课题以往早有研究,其丰富的发光色彩已经被许多文章报道,但据笔者所知没有人进行过共掺杂锰、铬镁铝尖晶石荧光粉的研究,也未发现有人将其作为白光LED荧光粉的潜在对象进行研究。本文使用凝胶固相法合成了纯的和掺杂Mn、Cr离子的镁铝尖晶石,全文分三个部分,通过各种测试手段对合成样品的发光性能和发光机理进行了研究。
第一部分研究了凝胶固相法合成镁铝尖晶石的工艺流程,对前驱粉体制备的条件进行了分析,找到了前驱粉体的最佳合成条件。通过高温烧结,在1400℃时合成了镁铝尖晶石,其粒度较小,主要分布在10μm左右。
第二部分通过光谱测试,对掺杂Mn2+和Cr3+的镁铝尖晶石进行了分析。单掺Mn的样品在450 nm波长激发下,得到520 nm左右的绿光发射,在掺杂浓度为0.5%时,发光强度达到最大,这个发射峰对应于Mn2+(3d5)电子由激发态4T1到基态6A1的跃迁。一般而言,Mn2+离子在材料中的发光颜色取决于Mn离子所处的配位环境;当Mn2+离子是四面体配位时发出的是绿光,而当Mn2+离子是八面体配位时则发红光。实验表明在镁铝尖晶石中Mn离子取代的主要是镁离子。单掺Cr的样品在397 nm和545 nm波长激发下均得到689 nm左右的红光发射,其发光强度也是在掺杂浓度为0.5%时达到最大,而这个发射峰对应的是Cr3+(3d3)电子由激发态2Eg到基态4A2g的辐射跃迁。掺Cr样品的激发光谱显示其激发波长范围十分广泛,能够覆盖350 nm到600nm左右的整个波段。
第三部分通过荧光光谱和荧光寿命的测试,发现双掺Mn、Cr样品在450 nm的蓝光激发下,同时具有Mn2+离子的绿光(515 nm)和Cr3+离子的红光(694 nm)发射。通过实验证明了在镁铝尖晶石体系中存在着由Mn2+→Cr3+的能量传递,由于Cr离子的掺入并没有使Mn离子的荧光寿命减短,因此其能量的传递方式并不是以往在过渡金属离子激活发光材料中常见的共振传递,而机械混合单掺两种离子的粉体和双掺粉体得到的光谱基本一致,说明Mn2+→Cr3+的能量传递是通过辐射后再吸收的方式进行。而Mn2+→Cr3+的能量传递使得双掺Mn和Cr离子的镁铝尖晶石粉体具有丰富(从绿光到红光可调)的发光色彩,有望被应用于白光LED灯用荧光粉。