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白光LED用蓝绿色荧光粉Sr1-xBaxAl2O4∶Eu 2+的发光性质

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2024年8月6日发(作者:漆雕夏柳)

第32卷第8期 

发 光 学 报 

CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCE 

Vo1.32 No.8 

Aug.,2011 

2011年8月 

文章编号:1000—7032(201 1)08 ̄755—06 

白光LED用蓝绿色荧光粉 

Sr1

Bax AI2 O4:Eu2+的发光性质 

一 

杨志平 ,周东站 ,马淑媛 ,于红伟 ,刘玉峰 ,李 旭 

(1.河北大学物理科学与技术学院,河北保定071002; 

2.河北大学电子信息工程学院,河北保定071002) 

摘要:采用高温固相法在还原气氛中合成sr 一 Ba A1 O :Eu 荧光材料。XRD显示,当钡掺杂量 <0.4时, 

对应样品主要为单斜SrA12O4晶体结构;当 ≥0.4时,对应样品主要为简单六方BaA1 O 晶体结构。在360 

hill激发下,样品的发射光谱随 的增加由单一的绿光发射(A…=516 nm)逐渐转变为蓝绿光双发射(A…。= 

441 llm,A =486 nm)。在Eu 摩尔分数为0.29%时,双发射峰强度最强;继续增加Eu 浓度,将出现浓度 

猝灭。研究表明,Sr。一 Ra AI O :Eu 的浓度猝灭机理为电偶极一电偶极相互作用。 

关键词:白光LED;荧光材料;SrAl2O ;浓度猝灭 

PACS:78.55.Hx PACC:3250F;7855H 文献标识码:A 中图分类号:0482.31 

DOI:10.3788/fgxb201 13208.0755 

1 引 言 

性和抗老化性良好、在紫外有较强吸收等优 

点 。 。Eu 在基质SrA1 O 中存在双发射现 

自从1997年日本日亚化学公司成功开发出 

蓝光发光二极管(LED)以来,半导体固态照明技 

术得到了快速发展。白光LED因其具有无毒、无 

象,SrA1204:Eun,Dy¨双掺体系与BaA1204: 

Eu ,Dy¨双掺体系在发光性能上也存在差 

异 ,离子替代对Ba1 Ca A1204:Eu 州 、 

MxSrl

害、高效节能等优点,在背光源、普通照明等方面 

得到日益广泛的应用¨ ,将成为继白炽灯、荧光 

灯和HID灯之后的第四代照明光源。目前,获得 

白光LED的主要方法是采用蓝光GaN管芯激发 

黄色YAG:Ce¨荧光粉,由蓝光和黄光混合得到 

白光,因此其色彩还原性差,且发光强度及颜色受 

环境条件影响较大 。为解决上述问题,人们 

开始尝试用近紫外一紫外辐射(350~410 nm)的 

InGaN管芯激发三基色荧光粉来实现白光LED。 

由于人眼对350~410 nm波段不敏感,所以这类 

白光LED的颜色只由荧光粉决定。目前存在的 

问题是:现有的光致发光荧光粉一般在此波段的 

吸收较弱。 

A12O4(M=Ca,Zn):Eu ¨ 的发射谱有 

较大影响。基于上述研究结果,我们设想,Ba 

替代的sr。一 Ba A1 O :Eu 荧光粉在紫外激发下 

应该存在蓝绿可调的发光特性,而相关的研究还 

并未见诸报道。 

本文采用常规的高温固相法合成了系列 

Sr 

Ba A12O4:Eu 样品,能够被360 nm附近的 

近紫外光有效激发而发出蓝绿色荧光。研究了 

Ba掺杂量对样品晶体结构和发射谱以及激活剂 

Eun浓度对发光强度及峰位的影响。 

2 实 验 

稀土离子激活的碱土金属铝酸盐体系发光材 

料可有效吸收紫外或近紫外辐射,发射出不同颜 

采用Ba 替代基质SrA1 O 中的Sr ,高温 

固相法合成sr 一 Ba A1 O :Eu 蓝绿色荧光材 

料。实验原料有SrCO3(analytical reagent—A.R.)、 

色的可见光,具有发光效率高、使用寿命长、稳定 

收稿日期:2011434.14;修订日期:2011-06—17 

基金项目:河北省自然科学基金(F2009000217)资助项目 

作者简介:杨志平(1957一),男,河北石家庄人,教授,主要从事稀土发光材料的研究。 

E—mail:yangzhiping786@sohu.COI][I,Tel:(03 1 2)5079423. 

发 光 学 报 第32卷 

BaCO3(A.R.)、A12O3(A.R.)、Eu2O,(99.99%) 

和H BO (A.R.)。根据设计比称取以上原料,在 

玛瑙研钵中混合研磨均匀,然后于1 350℃碳粉 

还原下烧结4 h,得到Sr ~ B A1:0 :0.2%Eu“ 

( =0,0.2,0.4,0.45,0.5,0.6)和Sro 5Bao 5 2O4: 

替代sr 后,因离子半径r =0.135 nm大于r = 

0.113 rim,导致晶格膨胀、晶面间距增大造成 

的 。由于Ba 的替代对单斜晶系SrA1:O 的 

影响显著,这一点也将在样品发射光谱上有所 

体现。 

3.2 Sr1

一 

y%Eu“(Y:0,0.07,0.14,0.21,0.29,0.36, 

Ba Al2O4:0.2%Eu¨发射谱分析 

0.43,0.57)系列样品。 

图2为样品Sr1一 Ba A12O4:0.2%Eu“( = 

0,0.2,0.4,0.45,0.5,0.6)在360 nm激发下的 

采用岛津XRD6000型x射线衍射仪((辐射 

源为Cu靶Ket,40 kV,40 mA,A=0.154 06 nm,扫 

描速度为8 ̄/min,步长0.02。,扫描范围15。~ 

60。)测定样品粉末的x射线衍射谱。用日本Hi— 

tachi F-4600荧光分光光度计测量了激发和发射 

光谱(激发光源为150 W氙灯)。以上测量均在 

室温下进行。 

3结果与讨论 

3.1样品XRD分析 

图1为样品Srl一 Ba A1204:0.2%Eu“( =0, 

0.2,0.4,0.5,0.6)的XRD谱。当钡掺杂量 :0时, 

衍射谱与SrAl2O4标准卡(JCPDS#34--0379)基本 

吻合,说明该样品为单斜SrA1 O 晶体结构,掺人 

微量Eu“基本不影响其结构。当 =0.2时,依 

然对应为单斜SrA1 O 晶体结构。而当钡掺杂量 

增至 =0.4时,对应的样品结构发生了明显的变 

化,主要呈现简单六方BaA12O (JCPDS#17— 

0306)晶体结构,且 越大,对应样品的衍射谱与 

简单六方晶系BaA1 0 匹配得越好。观察XRD 

图谱发现,在 变化过程中,样品对应的衍射峰位 

在小角方向上略有偏移。这是由于Ba 进入晶格 

I JCPDS 17—0306 

I i l  。

x=O.6 

I. i I. ▲. -. . ^. 

I. 一 ~… 5- 一 

^. 

1 .1. :三!兰 

L .. . ..:三 ,、 

2O 30 40 50 60 

2 /f。1 

图l样品Sr J一 BaxA12O4:0.2%Eu ( =0,0.2,0.4, 

0.5,0.6)的XRD谱与相关标准卡。 

Fig.1 XRD panerns of SrJ—Ba A12O4:0.2%Eu ( =0, 

0.2,0.4,0.5,0.6);Standard cards of SrAI204 

(JCPDS:34-0379)and BaA12 O4(JCPDS:17-0306). 

发射谱。在发射谱中未发现Eu¨的 D一 F跃迁辐 

射(波长范围580—750 nm),说明样品中Eu¨还 

原完全。在紫外光360 nm激发下,不同 值对应 

的样品发射谱存在显著差异。当 =0时,样品 

SrA1 O :0.2%Eu 发射谱呈现绿色单峰发射,峰 

值为516 11111。当 I>0.2时,Srl一 Ba A12O4:0.2% 

Eun发射谱呈现蓝绿色双峰发射,由峰值为441 

llm和500/lm附近的发射带组成,属于Eu 的 

4f65d。4f 电偶极跃迁 。由于Eu 的5d电子 

裸露,对基质晶格环境的变化非常敏感,因此 

Eun的发射谱随 值的变化而有所不同。 

5oo 

A/nm 

图2 360 Bill激发下样品Sr Ba.A12O4:0.2%Eu 的发 

射谱( =0,0.2,0.4,0.45,0.5,0.6) 

Fig 2 Emission spectra of Srl Ba A12O4:0.2%Eu under 

the excitation of360 nm( =0,0.2,0.4,0.45,0.5, 

0.6) 

由图随着 的增大,441 nm发射峰强度呈增 

强趋势,516 nm发射峰存在向485 nm蓝移的现 

象,根据形变作用的理论¨ ,我们认为由于Ba 

比sr2 的半径大(rBa=0.135 nm,rsf=0.113 nm, 

r =0.117 nm),导致随着Ba比例的增加,样品 

中Eu 电子形变程度变大,周围晶场作用增强, 

发射波长变短,说明通过改变Ba的掺杂量可以 

调节样品的发光颜色。 

在紫外360 BITI激发下,样品sr 一 Ba AI204: 

0.2%Eu“在 =0.5时,即Sr0 5Ba0 5A1204:0.2% 

第8期 杨志平,等:白光LED用蓝绿色荧光粉sr。一 Ba A1 0 :Eu 的发光性质 757 

Eu“发光强度最佳。由于该样品具备明显的双 

值分别为441 nm和486 nm。分别监测441 nnl和 

峰发射,且发光效率相对较高,我们设想可以通过 

控制双发射峰的相对强度来调节样品发光的颜 

色。下面我们将对sr0

Ba0 

. 

486 nm发射,得到两个明显不同的激发带,对应 

的激发峰分别为315 nm和366 Ilm。这说明 

SBAO.E中Eu 占据两种不同的格位Eu (I)和 04:Eu (SBAO—E) 

作进一步研究。 

3.3 Sr0.5Bao

AI2O4:Eu¨光谱分析 

3.3.1样品光谱特性 

图3是基质sr Ba A1 O (SBAO)的光致激 

发与发射谱。在近紫外360 nm激发下,SBAO在 

500~600 nm有弱发射,峰值为540 nm。监测 

540 nm发射,得到位于200~400 nm紫外多峰激 

发带,主要峰值分别为288,320,360 nln,其中288 nm 

的激发效果最佳,表明该基质对紫外存在弱吸收, 

且发出微弱绿光。 

A/nm 

图3 Sro Bao A1 O 的光致激发与发射光谱 

Fig.3 Photoluminescence excitation and emission spectra of 

Sr0 5Ba0 5A12O4 

图4是样品SBAO—E(0.2%Eu“)的光致激 

发与发射光谱,对应Eu 的4f-5d跃迁 "’ ]。在 

360 nlTl近紫外光激发下,样品发射光谱在400~ 

600 nm之间呈现双峰特征。一般而言,带状荧光 

光谱的能量分布符合或近似符合高斯分布 ,即 

各发射峰满足公式: 

E =E ̄u

exp[一2.7712( 一 o) /to ], 

式中 是频率, 。是峰值频率,E 是峰高,to是峰 

的半峰全宽,E 是频率为 时的发光能量。依据 

该公式,用Peakfit软件对发射谱进行高斯曲线双 

峰值拟合,因为相同激发下,基质SBAO的光谱强 

度远小于Eu“激活后SBAO—E(0.2%Eu“)的光 

谱强度,这里忽略了基质的影响。拟合得到两个 

子发射带,一个子带的峰值是436 nm,半峰全宽 

为38 nm;另一个的峰值是485 nm,半峰全宽为 

88 nm。两个子带的能量差约2 313 cm~,叠加后 

呈现400~600 B1TI的宽带双峰发射,两个发射峰 

Eu (Ⅱ),存在两种发光中心。 

图4 Sr0 5Bao A120 :0.2%Eu“的光致激发与发射光谱 

Fig.4 Photoluminescence excitation and emission spectra of 

Sr0 5Bao 5A1204:0.2%Eu 

3.3.2 Eu“浓度对样品发光的影响 

图5为SBAO.E两发射峰强度与Eu 浓度 

的关系。在360 am激发下,随着Eu 浓度的变 

化,发射光谱的峰形基本不变,但强度明显改变。 

由图知Eu (I)的441 nm蓝光强度(, )始终高 

于Eu (Ⅱ)的486 nm绿光强度(, ),使得样品颜 

色偏向于蓝光。这表明在SBAO—E中,Eu¨较易 

于占据I格位发射441 nm蓝光。当Y<0.29时, 

随着Eu¨浓度增大,发光中心增多,Eu 吸收能 

量增加,发射也逐渐增强;Eun之间位置靠近,离 

子间相互作用增强,能量传递加快。当Y=0.29 

时,Eu 之间的能量传递速率与Eu“发射速率相 

图5 Sro Bao A1 O :),%Eu 的两发射峰强度与Eu 

摩尔分数的关系 

Fig.5 Relationship between two peaks emission intensities 

and mole fractions of Eu“of Sr0 5 Bao 5 A12O4: 

v%Eu 

758 发 光 学 报 第32卷 

当,Eu 发光达到极大值。继续增加Eu“浓度将 

出现浓度猝灭,说明此时Eu¨之间的能量传递速 

率迅速增大,并超过Eu 的发射速率,激发能通 

3.3.4合成温度对样品发光谱的影响 

图7为不同合成温度下样品SBAO—E(0.2% 

Eu )的发射谱。温度升高,合成的样品硬度增 

过晶格的迁移而消耗掉,导致, 和, 的降低。 

两发射强度之比, /, 与Eu 浓度的变化关 

系如图5所示。随着Eun浓度的增加,样品 

大,且其相对发光强度也存在变化。通过峰值拟 

合得知,不同温度下的发射峰位置并没有明显移 

动,但相对强度上却存在差异。图中温度越高, 

441 1'113'1发射强度越大,但486 l'lm发射强度却相 

SBAO.E的蓝绿色发射中的蓝光成分逐渐增多, 

在Y=0.21时达到极大值,随后逐渐降低,在 = 

对降低了,这可能是因为不同合成温度下,样品的 

0.43时达到极小值。若继续增大Eu“浓度, 

Eu (Ⅱ).Eu (I)之问的能量传递速率迅速增 

大, 的猝灭速率加快,并超过,h的猝灭速率,导 

致 / 比值增大。这表明Eu¨浓度的改变影响 

两个发射的相对强度,通过控制Eu 浓度可以调 

节样品的发光成分。 

3.3.3 Eu“浓度猝灭机理分析 

图6为SBAO—E中Eu“发射 的lg(//x)~ 

lgx关系曲线。据文献[21],由Dexter理论,非导 

电性无机材料中激活剂离子的浓度猝灭机理属于 

电多极相互作用,即在样品弱吸收光激发下,若激 

活剂离子摩尔分数足够大,则发光强度,与摩尔 

分数戈的关系由公式lg(//x)=c一(0/3)lgx决 

定。式中0=6,8,10时,分别代表电偶极一电偶 

极、电偶极.电四极和电四极一电四极相互作用。 

用360 nm紫外光作激发源,测定Eu 的441 lqm 

的发射强度, ,做出其lg(//x)~lgx的关系曲线, 

由此求得猝灭部分的直线斜率K=一( 3)= 

1.45,即0 4.35,取0=6,说明Eu“的441 nm 

发射的自身浓度猝灭机理是电偶极一电偶极相互 

作用。同理可得Eu。 的486 Fin发射的自身浓度 

猝灭机理也是电偶极一电偶极相互作用。 

图6 Sro 5Bao 5A12O4:Eu 的发射,b的lg(//x)~lgx关 

系曲线 

Fig.6 Relationship cllrve Ig(//Ix)~lgx of emission for 

Sr0 5Ba0 5A12O4:Eu 

结晶程度以及衍射峰强度不同导致的,如图8所 

示。分析表明,控制样品的合成温度可以调节其 

发光颜色。 

图7不同合成温度下Sro 5Bao AI204:0.2%Eu 的发 

光谱 

Fig.7 Photoluminescence spectra of Sr0 5 Bao 5 A12 O4:0.2% 

Eu synthesized at different temperatures 

. 

1.I. 

L—

L . . . 

1‘一. .j【

3O 

 ..jJL一 z

4O 

50. 

20/(。) 

图8不同合成温度下Sro 5 Bao 5A12O4:0.2%Eu 的 

XRD谱 

Fig.8 XRD patterns of Sr0 5Bao 5A12O4:0.2%Eu“synthe— 

sised at different temperatures 

4 结 论 

采用高温固相法在1 350℃还原气氛下合成 

sr1

Ba A1204:Eu 荧光材料。XRD显示,当Ba 

掺杂量较少时,生成样品主要为单斜SrA1 O 晶 

体结构;当Ba掺杂量较大时,主要为简单六方 

第8期 杨志平,等:白光LED用蓝绿色荧光粉Sr Ba A1 O :Eu 的发光性质 759 

BaAI O 晶体结构。在360 nm激发下,样品发射 

谱随 的变化而呈规律变化。当 =0时,发射谱 

为516 nm单一绿色发射;当 />0.2时,发射谱为 

当Eu 摩尔分数为0.29%时,双发射峰强度最 

强。继续增加Eu“浓度,将出现浓度猝灭,其猝 

灭机理为电偶极一电偶极相互作用。分析合成温 

度对样品Sr0Ba。 A1:O :Eu“的发射光谱的影响 

. 

441 nln和500 nm附近的双峰发射,且500 nm附 

近发射随 增大发生蓝移。实验得知,当 =0.5 

得知,不同温度下样品结晶程度及衍射峰强度的 

时,样品Sr0 5 Ba0 A1204:Eu“的发光效果较好。 

不同,导致了两个主发射峰强度的相对变化。 

参考文献: 

[1]Sun Xiaoyuan,Zhang Jiahua,Zhang Xia,et a1.A single white phosphor suitable for near ultraviolet excitation applied to 

new generation white LED lighting[J].Chin._,.Lumin.(发光学报),2005,26(3):404407(in Chinese). 

[2]Liu Jie,Sun Jiayue,Shi Chunshan.The development of the white converter based on LED ].Chemistry(化学通报), 

2005,68(6):417_424(in Chinese). 

[3]Li Junfei,Rao Haibo,Hou Bin,et a1.Investigation on improving the extraction efficiency of power white LEDs with shurry 

method[J].Chin. Lumin.(发光学报),2009,30(1):19—24(in English). 

[4]Chu Minghui,Wu Qing,Wang Jian,et a1.Calculation of theoretical limitation of luminous eifciency of white LED[J]. 

Chin.J.Lumin.(发光学报),2009,30(1):77—80(in English). 

[5]Bai Lin,Liang Hongbao.The designing and driving technology of the illumination board of the high power bright white 

LED street lamp[J].Chin._,'Lumin.(发光学报),2009,30(4):484-494(in Chinese). 

[6]Park J K,Kim C H,Park S H,et a1.Application of strontium silicate yellow phosphor ofr white light—emitting diodes[J]. 

App1.Phys.Lett.,2004,84(10):1647—1649. 

[7]Wang Zhijun,Yang Zhiping,Wang Ying,et a1.Luminescence characteristics of Eu activated strontium silicate phos— 

phors[J].Chin. Lumin.(发光学报),2009,30(6):754—757(in Chinese). 

[8]Zhong Ruixia,Zhang Jiahua,Zhang Xia,et a1.Red phosphorescence in Sr4 A1l4 O25:Cr ,Eu ,Dy through persistent 

energy transfer[J].App1.Phys.Lett.,2006,88(20):1916—1918. 

[9]Sun Jiayue,Du Haiyan.Solid Luminous Materials[M].Beijing:Chemical Industry Press,2003:565—569. 

[1 0]Aizawa H,Komuro S,Katsumata T,et a1.Long afterglow phosphorescent characteristics of BaAl2 O4:Eu,Dy films[J]. 

n曲f/d Films,2006,496(1):179—182. 

[11]Ryu H,Singh B K,Bartwal K S.Effect of Sr substitution on photoluminescent properties of BaA12O4:Eu“,Dy“[J]. 

Phys.B,2008,403(1):126—130. . 

[1 2]Zhong Ruixia,Zhang Jiahua.Red photoluminescence due to energy transfer from Eu to Cr”in BaA1I2 0l9[J]. 

Lumin.,2010,130(1):206-210. 

[1 3]wu Qiaoli,Liu Zhen,Jiao Huan.Luminescent properties of stabled hexagonal phase Srl一 Ba A12O4:Eu (x=0.37— 

0.70)[J].Phys.B,2009,404(16):2499—2502. 

[1 4]Li Shaoxia,He Dawei,Cheng Zhengwei,et a1.Luminescence properties and spectral analysis of long phosphorescent 

phosphors:Ba1…Ca A12O4:Eu“

RE [J].Speetrosc.Spect.Ana1.(光谱学与光谱分析),2005,25(5):665-668(in 

Chinese). 

[15]Song Huihua,Liu Wenfang。Microwave synthesis and lunlineseence properties ofM Srl一 AI204(M=Ca,Zn):Eu [J]. 

J.Chin.Ceram.Soc.(硅酸盐学报),2007,35(9):1186—1189(in Chinese). 

[1 6]Liao Feng,Wang Haiyin,Hu Yihua,et a1.Preparation and luminescence properties of Srl Ba A12 04:Eu“,Dy“[J]. 

Chin..,.Lumin.(发光学报),2009,30(3):399-404(in Chinese). 

[1 7]Song Xiufeng,Fu Renli,Simeon Agathopoulos,et a1.Luminescence and eneryg—transfer mechanism in SrSi2 02 N2:Ce , 

Eu phosphors for white LEDs[J]. Electrochem.Soc.,2010,157(2):J34一J38. 

[1 8]Yu Xianen.Practical Luminescent Materials and Photoluminescence Mechanism[M].Beijing:China Light Industw Press, 

1997:119—126. 

[1 9]Peng Tianyou,Liu Huajun,Yang Huanping,et a1.Synthesis of SrA12 04:Eu,Dy phosphor nanometer powders by sol—gel 

760 发 光 学 报 第32卷 

processes and its optical properties[J].Mater.Chem.Phys.,2004,85(1):68-72. 

[20]Yang Zhiping,Liu Yufeng,Xiong Zhijun.Luminescent properties of Ce¨一doped Sr2MgSi05 blue—emitting phosphor[J]. 

Chern. Chin.Univ.(高等学校化学学报),2006,27(10):1827—1829(in Chinese). 

[21]Yang Zhiping,Ma Nin,Zhao Panpan,etⅡf.Preparation and luminescence eharacteristics of SrA12B2O7:Dy phosphor 

[J].Acta .Sin.(物理学报),2010,59(8):5387—5391(in Chinese). 

Luminescence Properties of Blue-green Phosphors 

Sr1

一 

Ba AI2O4:Eu 

for White LED 

YANG Zhi—ping ,ZHOU Dong—zhan ,MA Shu—yuan ,YU Hong—wei ,LIU Yu—feng。

LI Xu 

(1.College ofPhysics Science and Technology,Hebei University,Baoding 071002,China; 

2.College ofElectronic and Information Engineering,Hebei University,Baoding 071002,Chian) 

Abstract:Sr1

一 

Ba A1204:Eu phosphors were synthesized in a reducing atmosphere by high temperature solid 

state method at 1 350℃.The patterns of XRD indicated that the crystal structure of the phosphors aye the 

monoclinie phase of SrA12O4 when <0.4 and the simple hexagonal phase of BaA12O4 when I>0.4 because 

of crystal lattice expands with Ba ion substitution for Sr ion.Photoluminescence experiments were carried 

out to study the luminescence properties of the phosphors excited under 360 nm.The results showed that emis- 

sion spectra gradually changed from single rgeen emission(A…=516 nm)to blue—green dual—emission(A—I= 

441 nm,A 

ax2 

486 nm)with the increase of . 

When was 0.5,there was a better property in Sro 5 Bao 5 A12 O4:Eu“

From the relationship between the 

concentration of Eu“ion and the intensities of emissions in Sro

5 

Ba0

5 

A12 O4:y%Eu“

we get that the maxi— 

..

mum dual—emission intensity when Y 0.29%.There exist a concentration quenching effect in Sro

5 

Ba0

5 

A1204: 

Eu“

and the study points out that the mechanism of concentration quenching effect is electric dipole—dipole 

1nt. erachon..  ● 

Key words:white LED;phosphom;SrA12 O4;concentration quenching 

CLC numher:0482.31 PACS:78.55.Hx PACC:3250F:7855H Document code:A 

DOI:10.3788/fgxb20113208.0755 

Received date:201 1-04—14 

2024年8月6日发(作者:漆雕夏柳)

第32卷第8期 

发 光 学 报 

CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCE 

Vo1.32 No.8 

Aug.,2011 

2011年8月 

文章编号:1000—7032(201 1)08 ̄755—06 

白光LED用蓝绿色荧光粉 

Sr1

Bax AI2 O4:Eu2+的发光性质 

一 

杨志平 ,周东站 ,马淑媛 ,于红伟 ,刘玉峰 ,李 旭 

(1.河北大学物理科学与技术学院,河北保定071002; 

2.河北大学电子信息工程学院,河北保定071002) 

摘要:采用高温固相法在还原气氛中合成sr 一 Ba A1 O :Eu 荧光材料。XRD显示,当钡掺杂量 <0.4时, 

对应样品主要为单斜SrA12O4晶体结构;当 ≥0.4时,对应样品主要为简单六方BaA1 O 晶体结构。在360 

hill激发下,样品的发射光谱随 的增加由单一的绿光发射(A…=516 nm)逐渐转变为蓝绿光双发射(A…。= 

441 llm,A =486 nm)。在Eu 摩尔分数为0.29%时,双发射峰强度最强;继续增加Eu 浓度,将出现浓度 

猝灭。研究表明,Sr。一 Ra AI O :Eu 的浓度猝灭机理为电偶极一电偶极相互作用。 

关键词:白光LED;荧光材料;SrAl2O ;浓度猝灭 

PACS:78.55.Hx PACC:3250F;7855H 文献标识码:A 中图分类号:0482.31 

DOI:10.3788/fgxb201 13208.0755 

1 引 言 

性和抗老化性良好、在紫外有较强吸收等优 

点 。 。Eu 在基质SrA1 O 中存在双发射现 

自从1997年日本日亚化学公司成功开发出 

蓝光发光二极管(LED)以来,半导体固态照明技 

术得到了快速发展。白光LED因其具有无毒、无 

象,SrA1204:Eun,Dy¨双掺体系与BaA1204: 

Eu ,Dy¨双掺体系在发光性能上也存在差 

异 ,离子替代对Ba1 Ca A1204:Eu 州 、 

MxSrl

害、高效节能等优点,在背光源、普通照明等方面 

得到日益广泛的应用¨ ,将成为继白炽灯、荧光 

灯和HID灯之后的第四代照明光源。目前,获得 

白光LED的主要方法是采用蓝光GaN管芯激发 

黄色YAG:Ce¨荧光粉,由蓝光和黄光混合得到 

白光,因此其色彩还原性差,且发光强度及颜色受 

环境条件影响较大 。为解决上述问题,人们 

开始尝试用近紫外一紫外辐射(350~410 nm)的 

InGaN管芯激发三基色荧光粉来实现白光LED。 

由于人眼对350~410 nm波段不敏感,所以这类 

白光LED的颜色只由荧光粉决定。目前存在的 

问题是:现有的光致发光荧光粉一般在此波段的 

吸收较弱。 

A12O4(M=Ca,Zn):Eu ¨ 的发射谱有 

较大影响。基于上述研究结果,我们设想,Ba 

替代的sr。一 Ba A1 O :Eu 荧光粉在紫外激发下 

应该存在蓝绿可调的发光特性,而相关的研究还 

并未见诸报道。 

本文采用常规的高温固相法合成了系列 

Sr 

Ba A12O4:Eu 样品,能够被360 nm附近的 

近紫外光有效激发而发出蓝绿色荧光。研究了 

Ba掺杂量对样品晶体结构和发射谱以及激活剂 

Eun浓度对发光强度及峰位的影响。 

2 实 验 

稀土离子激活的碱土金属铝酸盐体系发光材 

料可有效吸收紫外或近紫外辐射,发射出不同颜 

采用Ba 替代基质SrA1 O 中的Sr ,高温 

固相法合成sr 一 Ba A1 O :Eu 蓝绿色荧光材 

料。实验原料有SrCO3(analytical reagent—A.R.)、 

色的可见光,具有发光效率高、使用寿命长、稳定 

收稿日期:2011434.14;修订日期:2011-06—17 

基金项目:河北省自然科学基金(F2009000217)资助项目 

作者简介:杨志平(1957一),男,河北石家庄人,教授,主要从事稀土发光材料的研究。 

E—mail:yangzhiping786@sohu.COI][I,Tel:(03 1 2)5079423. 

发 光 学 报 第32卷 

BaCO3(A.R.)、A12O3(A.R.)、Eu2O,(99.99%) 

和H BO (A.R.)。根据设计比称取以上原料,在 

玛瑙研钵中混合研磨均匀,然后于1 350℃碳粉 

还原下烧结4 h,得到Sr ~ B A1:0 :0.2%Eu“ 

( =0,0.2,0.4,0.45,0.5,0.6)和Sro 5Bao 5 2O4: 

替代sr 后,因离子半径r =0.135 nm大于r = 

0.113 rim,导致晶格膨胀、晶面间距增大造成 

的 。由于Ba 的替代对单斜晶系SrA1:O 的 

影响显著,这一点也将在样品发射光谱上有所 

体现。 

3.2 Sr1

一 

y%Eu“(Y:0,0.07,0.14,0.21,0.29,0.36, 

Ba Al2O4:0.2%Eu¨发射谱分析 

0.43,0.57)系列样品。 

图2为样品Sr1一 Ba A12O4:0.2%Eu“( = 

0,0.2,0.4,0.45,0.5,0.6)在360 nm激发下的 

采用岛津XRD6000型x射线衍射仪((辐射 

源为Cu靶Ket,40 kV,40 mA,A=0.154 06 nm,扫 

描速度为8 ̄/min,步长0.02。,扫描范围15。~ 

60。)测定样品粉末的x射线衍射谱。用日本Hi— 

tachi F-4600荧光分光光度计测量了激发和发射 

光谱(激发光源为150 W氙灯)。以上测量均在 

室温下进行。 

3结果与讨论 

3.1样品XRD分析 

图1为样品Srl一 Ba A1204:0.2%Eu“( =0, 

0.2,0.4,0.5,0.6)的XRD谱。当钡掺杂量 :0时, 

衍射谱与SrAl2O4标准卡(JCPDS#34--0379)基本 

吻合,说明该样品为单斜SrA1 O 晶体结构,掺人 

微量Eu“基本不影响其结构。当 =0.2时,依 

然对应为单斜SrA1 O 晶体结构。而当钡掺杂量 

增至 =0.4时,对应的样品结构发生了明显的变 

化,主要呈现简单六方BaA12O (JCPDS#17— 

0306)晶体结构,且 越大,对应样品的衍射谱与 

简单六方晶系BaA1 0 匹配得越好。观察XRD 

图谱发现,在 变化过程中,样品对应的衍射峰位 

在小角方向上略有偏移。这是由于Ba 进入晶格 

I JCPDS 17—0306 

I i l  。

x=O.6 

I. i I. ▲. -. . ^. 

I. 一 ~… 5- 一 

^. 

1 .1. :三!兰 

L .. . ..:三 ,、 

2O 30 40 50 60 

2 /f。1 

图l样品Sr J一 BaxA12O4:0.2%Eu ( =0,0.2,0.4, 

0.5,0.6)的XRD谱与相关标准卡。 

Fig.1 XRD panerns of SrJ—Ba A12O4:0.2%Eu ( =0, 

0.2,0.4,0.5,0.6);Standard cards of SrAI204 

(JCPDS:34-0379)and BaA12 O4(JCPDS:17-0306). 

发射谱。在发射谱中未发现Eu¨的 D一 F跃迁辐 

射(波长范围580—750 nm),说明样品中Eu¨还 

原完全。在紫外光360 nm激发下,不同 值对应 

的样品发射谱存在显著差异。当 =0时,样品 

SrA1 O :0.2%Eu 发射谱呈现绿色单峰发射,峰 

值为516 11111。当 I>0.2时,Srl一 Ba A12O4:0.2% 

Eun发射谱呈现蓝绿色双峰发射,由峰值为441 

llm和500/lm附近的发射带组成,属于Eu 的 

4f65d。4f 电偶极跃迁 。由于Eu 的5d电子 

裸露,对基质晶格环境的变化非常敏感,因此 

Eun的发射谱随 值的变化而有所不同。 

5oo 

A/nm 

图2 360 Bill激发下样品Sr Ba.A12O4:0.2%Eu 的发 

射谱( =0,0.2,0.4,0.45,0.5,0.6) 

Fig 2 Emission spectra of Srl Ba A12O4:0.2%Eu under 

the excitation of360 nm( =0,0.2,0.4,0.45,0.5, 

0.6) 

由图随着 的增大,441 nm发射峰强度呈增 

强趋势,516 nm发射峰存在向485 nm蓝移的现 

象,根据形变作用的理论¨ ,我们认为由于Ba 

比sr2 的半径大(rBa=0.135 nm,rsf=0.113 nm, 

r =0.117 nm),导致随着Ba比例的增加,样品 

中Eu 电子形变程度变大,周围晶场作用增强, 

发射波长变短,说明通过改变Ba的掺杂量可以 

调节样品的发光颜色。 

在紫外360 BITI激发下,样品sr 一 Ba AI204: 

0.2%Eu“在 =0.5时,即Sr0 5Ba0 5A1204:0.2% 

第8期 杨志平,等:白光LED用蓝绿色荧光粉sr。一 Ba A1 0 :Eu 的发光性质 757 

Eu“发光强度最佳。由于该样品具备明显的双 

值分别为441 nm和486 nm。分别监测441 nnl和 

峰发射,且发光效率相对较高,我们设想可以通过 

控制双发射峰的相对强度来调节样品发光的颜 

色。下面我们将对sr0

Ba0 

. 

486 nm发射,得到两个明显不同的激发带,对应 

的激发峰分别为315 nm和366 Ilm。这说明 

SBAO.E中Eu 占据两种不同的格位Eu (I)和 04:Eu (SBAO—E) 

作进一步研究。 

3.3 Sr0.5Bao

AI2O4:Eu¨光谱分析 

3.3.1样品光谱特性 

图3是基质sr Ba A1 O (SBAO)的光致激 

发与发射谱。在近紫外360 nm激发下,SBAO在 

500~600 nm有弱发射,峰值为540 nm。监测 

540 nm发射,得到位于200~400 nm紫外多峰激 

发带,主要峰值分别为288,320,360 nln,其中288 nm 

的激发效果最佳,表明该基质对紫外存在弱吸收, 

且发出微弱绿光。 

A/nm 

图3 Sro Bao A1 O 的光致激发与发射光谱 

Fig.3 Photoluminescence excitation and emission spectra of 

Sr0 5Ba0 5A12O4 

图4是样品SBAO—E(0.2%Eu“)的光致激 

发与发射光谱,对应Eu 的4f-5d跃迁 "’ ]。在 

360 nlTl近紫外光激发下,样品发射光谱在400~ 

600 nm之间呈现双峰特征。一般而言,带状荧光 

光谱的能量分布符合或近似符合高斯分布 ,即 

各发射峰满足公式: 

E =E ̄u

exp[一2.7712( 一 o) /to ], 

式中 是频率, 。是峰值频率,E 是峰高,to是峰 

的半峰全宽,E 是频率为 时的发光能量。依据 

该公式,用Peakfit软件对发射谱进行高斯曲线双 

峰值拟合,因为相同激发下,基质SBAO的光谱强 

度远小于Eu“激活后SBAO—E(0.2%Eu“)的光 

谱强度,这里忽略了基质的影响。拟合得到两个 

子发射带,一个子带的峰值是436 nm,半峰全宽 

为38 nm;另一个的峰值是485 nm,半峰全宽为 

88 nm。两个子带的能量差约2 313 cm~,叠加后 

呈现400~600 B1TI的宽带双峰发射,两个发射峰 

Eu (Ⅱ),存在两种发光中心。 

图4 Sr0 5Bao A120 :0.2%Eu“的光致激发与发射光谱 

Fig.4 Photoluminescence excitation and emission spectra of 

Sr0 5Bao 5A1204:0.2%Eu 

3.3.2 Eu“浓度对样品发光的影响 

图5为SBAO.E两发射峰强度与Eu 浓度 

的关系。在360 am激发下,随着Eu 浓度的变 

化,发射光谱的峰形基本不变,但强度明显改变。 

由图知Eu (I)的441 nm蓝光强度(, )始终高 

于Eu (Ⅱ)的486 nm绿光强度(, ),使得样品颜 

色偏向于蓝光。这表明在SBAO—E中,Eu¨较易 

于占据I格位发射441 nm蓝光。当Y<0.29时, 

随着Eu¨浓度增大,发光中心增多,Eu 吸收能 

量增加,发射也逐渐增强;Eun之间位置靠近,离 

子间相互作用增强,能量传递加快。当Y=0.29 

时,Eu 之间的能量传递速率与Eu“发射速率相 

图5 Sro Bao A1 O :),%Eu 的两发射峰强度与Eu 

摩尔分数的关系 

Fig.5 Relationship between two peaks emission intensities 

and mole fractions of Eu“of Sr0 5 Bao 5 A12O4: 

v%Eu 

758 发 光 学 报 第32卷 

当,Eu 发光达到极大值。继续增加Eu“浓度将 

出现浓度猝灭,说明此时Eu¨之间的能量传递速 

率迅速增大,并超过Eu 的发射速率,激发能通 

3.3.4合成温度对样品发光谱的影响 

图7为不同合成温度下样品SBAO—E(0.2% 

Eu )的发射谱。温度升高,合成的样品硬度增 

过晶格的迁移而消耗掉,导致, 和, 的降低。 

两发射强度之比, /, 与Eu 浓度的变化关 

系如图5所示。随着Eun浓度的增加,样品 

大,且其相对发光强度也存在变化。通过峰值拟 

合得知,不同温度下的发射峰位置并没有明显移 

动,但相对强度上却存在差异。图中温度越高, 

441 1'113'1发射强度越大,但486 l'lm发射强度却相 

SBAO.E的蓝绿色发射中的蓝光成分逐渐增多, 

在Y=0.21时达到极大值,随后逐渐降低,在 = 

对降低了,这可能是因为不同合成温度下,样品的 

0.43时达到极小值。若继续增大Eu“浓度, 

Eu (Ⅱ).Eu (I)之问的能量传递速率迅速增 

大, 的猝灭速率加快,并超过,h的猝灭速率,导 

致 / 比值增大。这表明Eu¨浓度的改变影响 

两个发射的相对强度,通过控制Eu 浓度可以调 

节样品的发光成分。 

3.3.3 Eu“浓度猝灭机理分析 

图6为SBAO—E中Eu“发射 的lg(//x)~ 

lgx关系曲线。据文献[21],由Dexter理论,非导 

电性无机材料中激活剂离子的浓度猝灭机理属于 

电多极相互作用,即在样品弱吸收光激发下,若激 

活剂离子摩尔分数足够大,则发光强度,与摩尔 

分数戈的关系由公式lg(//x)=c一(0/3)lgx决 

定。式中0=6,8,10时,分别代表电偶极一电偶 

极、电偶极.电四极和电四极一电四极相互作用。 

用360 nm紫外光作激发源,测定Eu 的441 lqm 

的发射强度, ,做出其lg(//x)~lgx的关系曲线, 

由此求得猝灭部分的直线斜率K=一( 3)= 

1.45,即0 4.35,取0=6,说明Eu“的441 nm 

发射的自身浓度猝灭机理是电偶极一电偶极相互 

作用。同理可得Eu。 的486 Fin发射的自身浓度 

猝灭机理也是电偶极一电偶极相互作用。 

图6 Sro 5Bao 5A12O4:Eu 的发射,b的lg(//x)~lgx关 

系曲线 

Fig.6 Relationship cllrve Ig(//Ix)~lgx of emission for 

Sr0 5Ba0 5A12O4:Eu 

结晶程度以及衍射峰强度不同导致的,如图8所 

示。分析表明,控制样品的合成温度可以调节其 

发光颜色。 

图7不同合成温度下Sro 5Bao AI204:0.2%Eu 的发 

光谱 

Fig.7 Photoluminescence spectra of Sr0 5 Bao 5 A12 O4:0.2% 

Eu synthesized at different temperatures 

. 

1.I. 

L—

L . . . 

1‘一. .j【

3O 

 ..jJL一 z

4O 

50. 

20/(。) 

图8不同合成温度下Sro 5 Bao 5A12O4:0.2%Eu 的 

XRD谱 

Fig.8 XRD patterns of Sr0 5Bao 5A12O4:0.2%Eu“synthe— 

sised at different temperatures 

4 结 论 

采用高温固相法在1 350℃还原气氛下合成 

sr1

Ba A1204:Eu 荧光材料。XRD显示,当Ba 

掺杂量较少时,生成样品主要为单斜SrA1 O 晶 

体结构;当Ba掺杂量较大时,主要为简单六方 

第8期 杨志平,等:白光LED用蓝绿色荧光粉Sr Ba A1 O :Eu 的发光性质 759 

BaAI O 晶体结构。在360 nm激发下,样品发射 

谱随 的变化而呈规律变化。当 =0时,发射谱 

为516 nm单一绿色发射;当 />0.2时,发射谱为 

当Eu 摩尔分数为0.29%时,双发射峰强度最 

强。继续增加Eu“浓度,将出现浓度猝灭,其猝 

灭机理为电偶极一电偶极相互作用。分析合成温 

度对样品Sr0Ba。 A1:O :Eu“的发射光谱的影响 

. 

441 nln和500 nm附近的双峰发射,且500 nm附 

近发射随 增大发生蓝移。实验得知,当 =0.5 

得知,不同温度下样品结晶程度及衍射峰强度的 

时,样品Sr0 5 Ba0 A1204:Eu“的发光效果较好。 

不同,导致了两个主发射峰强度的相对变化。 

参考文献: 

[1]Sun Xiaoyuan,Zhang Jiahua,Zhang Xia,et a1.A single white phosphor suitable for near ultraviolet excitation applied to 

new generation white LED lighting[J].Chin._,.Lumin.(发光学报),2005,26(3):404407(in Chinese). 

[2]Liu Jie,Sun Jiayue,Shi Chunshan.The development of the white converter based on LED ].Chemistry(化学通报), 

2005,68(6):417_424(in Chinese). 

[3]Li Junfei,Rao Haibo,Hou Bin,et a1.Investigation on improving the extraction efficiency of power white LEDs with shurry 

method[J].Chin. Lumin.(发光学报),2009,30(1):19—24(in English). 

[4]Chu Minghui,Wu Qing,Wang Jian,et a1.Calculation of theoretical limitation of luminous eifciency of white LED[J]. 

Chin.J.Lumin.(发光学报),2009,30(1):77—80(in English). 

[5]Bai Lin,Liang Hongbao.The designing and driving technology of the illumination board of the high power bright white 

LED street lamp[J].Chin._,'Lumin.(发光学报),2009,30(4):484-494(in Chinese). 

[6]Park J K,Kim C H,Park S H,et a1.Application of strontium silicate yellow phosphor ofr white light—emitting diodes[J]. 

App1.Phys.Lett.,2004,84(10):1647—1649. 

[7]Wang Zhijun,Yang Zhiping,Wang Ying,et a1.Luminescence characteristics of Eu activated strontium silicate phos— 

phors[J].Chin. Lumin.(发光学报),2009,30(6):754—757(in Chinese). 

[8]Zhong Ruixia,Zhang Jiahua,Zhang Xia,et a1.Red phosphorescence in Sr4 A1l4 O25:Cr ,Eu ,Dy through persistent 

energy transfer[J].App1.Phys.Lett.,2006,88(20):1916—1918. 

[9]Sun Jiayue,Du Haiyan.Solid Luminous Materials[M].Beijing:Chemical Industry Press,2003:565—569. 

[1 0]Aizawa H,Komuro S,Katsumata T,et a1.Long afterglow phosphorescent characteristics of BaAl2 O4:Eu,Dy films[J]. 

n曲f/d Films,2006,496(1):179—182. 

[11]Ryu H,Singh B K,Bartwal K S.Effect of Sr substitution on photoluminescent properties of BaA12O4:Eu“,Dy“[J]. 

Phys.B,2008,403(1):126—130. . 

[1 2]Zhong Ruixia,Zhang Jiahua.Red photoluminescence due to energy transfer from Eu to Cr”in BaA1I2 0l9[J]. 

Lumin.,2010,130(1):206-210. 

[1 3]wu Qiaoli,Liu Zhen,Jiao Huan.Luminescent properties of stabled hexagonal phase Srl一 Ba A12O4:Eu (x=0.37— 

0.70)[J].Phys.B,2009,404(16):2499—2502. 

[1 4]Li Shaoxia,He Dawei,Cheng Zhengwei,et a1.Luminescence properties and spectral analysis of long phosphorescent 

phosphors:Ba1…Ca A12O4:Eu“

RE [J].Speetrosc.Spect.Ana1.(光谱学与光谱分析),2005,25(5):665-668(in 

Chinese). 

[15]Song Huihua,Liu Wenfang。Microwave synthesis and lunlineseence properties ofM Srl一 AI204(M=Ca,Zn):Eu [J]. 

J.Chin.Ceram.Soc.(硅酸盐学报),2007,35(9):1186—1189(in Chinese). 

[1 6]Liao Feng,Wang Haiyin,Hu Yihua,et a1.Preparation and luminescence properties of Srl Ba A12 04:Eu“,Dy“[J]. 

Chin..,.Lumin.(发光学报),2009,30(3):399-404(in Chinese). 

[1 7]Song Xiufeng,Fu Renli,Simeon Agathopoulos,et a1.Luminescence and eneryg—transfer mechanism in SrSi2 02 N2:Ce , 

Eu phosphors for white LEDs[J]. Electrochem.Soc.,2010,157(2):J34一J38. 

[1 8]Yu Xianen.Practical Luminescent Materials and Photoluminescence Mechanism[M].Beijing:China Light Industw Press, 

1997:119—126. 

[1 9]Peng Tianyou,Liu Huajun,Yang Huanping,et a1.Synthesis of SrA12 04:Eu,Dy phosphor nanometer powders by sol—gel 

760 发 光 学 报 第32卷 

processes and its optical properties[J].Mater.Chem.Phys.,2004,85(1):68-72. 

[20]Yang Zhiping,Liu Yufeng,Xiong Zhijun.Luminescent properties of Ce¨一doped Sr2MgSi05 blue—emitting phosphor[J]. 

Chern. Chin.Univ.(高等学校化学学报),2006,27(10):1827—1829(in Chinese). 

[21]Yang Zhiping,Ma Nin,Zhao Panpan,etⅡf.Preparation and luminescence eharacteristics of SrA12B2O7:Dy phosphor 

[J].Acta .Sin.(物理学报),2010,59(8):5387—5391(in Chinese). 

Luminescence Properties of Blue-green Phosphors 

Sr1

一 

Ba AI2O4:Eu 

for White LED 

YANG Zhi—ping ,ZHOU Dong—zhan ,MA Shu—yuan ,YU Hong—wei ,LIU Yu—feng。

LI Xu 

(1.College ofPhysics Science and Technology,Hebei University,Baoding 071002,China; 

2.College ofElectronic and Information Engineering,Hebei University,Baoding 071002,Chian) 

Abstract:Sr1

一 

Ba A1204:Eu phosphors were synthesized in a reducing atmosphere by high temperature solid 

state method at 1 350℃.The patterns of XRD indicated that the crystal structure of the phosphors aye the 

monoclinie phase of SrA12O4 when <0.4 and the simple hexagonal phase of BaA12O4 when I>0.4 because 

of crystal lattice expands with Ba ion substitution for Sr ion.Photoluminescence experiments were carried 

out to study the luminescence properties of the phosphors excited under 360 nm.The results showed that emis- 

sion spectra gradually changed from single rgeen emission(A…=516 nm)to blue—green dual—emission(A—I= 

441 nm,A 

ax2 

486 nm)with the increase of . 

When was 0.5,there was a better property in Sro 5 Bao 5 A12 O4:Eu“

From the relationship between the 

concentration of Eu“ion and the intensities of emissions in Sro

5 

Ba0

5 

A12 O4:y%Eu“

we get that the maxi— 

..

mum dual—emission intensity when Y 0.29%.There exist a concentration quenching effect in Sro

5 

Ba0

5 

A1204: 

Eu“

and the study points out that the mechanism of concentration quenching effect is electric dipole—dipole 

1nt. erachon..  ● 

Key words:white LED;phosphom;SrA12 O4;concentration quenching 

CLC numher:0482.31 PACS:78.55.Hx PACC:3250F:7855H Document code:A 

DOI:10.3788/fgxb20113208.0755 

Received date:201 1-04—14 

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