Mn4+、Cr3+激活的深红和近红外荧光材料的合成与发光性能的研究

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氧化物荧光材料种类繁多、结构稳定、性能优异,在彩电、显像管、计算机显示器、高端安全监测、医学影像诊断(CT/PET)、半导体节能照明、晶硅太阳能电池增效转光、工业无损探伤、核物理与军事等领域都具有广泛的应用。随着新能源产业、照明与显色行业的迅猛发展,荧光粉材料市场日新月著。在选择激活荧光材料的激活剂方面,研发贵重稀土离子的替代品前景广阔,非稀土元素市场潜力巨大,例如过渡金属Mn44+离子价格低廉、储量丰富,且具有在不同配位环境下表现出不同发射波长的可调谐性。过渡金属Cr4+离子在很多基质晶体中也常被作为发光中心离子,其发光通常位于红色和深红色发光区域,可应用于太阳能电池光谱的高效转换。因此,探索新型过渡金属离子掺杂氧化物荧光材料的发光性能和结构特征具有重要的基础意义和实用价值。本文主要探究了过渡金属离子Mn44+、Cr4+掺杂几种氧化物荧光材料的制备和其深红、近红外发光性能。分别制备了 Mn44+激活的SrLaScO4、SrLa2Sc2O7系列深红色氧化物荧光粉,Cr4+激活的Na2CaSn2Ge3O12系列近红外氧化物荧光粉。通过X射线粉末衍射(XRD)、荧光光谱测试(PL)、紫外-可见漫反射光谱(UV-visDR)和扫描电子显微镜(SEM)等方法对所制备荧光粉的晶体结构、荧光性能、表面形貌以及热猝灭性质进行了系统的表征和测试,并探讨了它们在白光LED以及晶硅太阳能电池增效用转光材料等领域的潜在应用。具体研究内容如下:1.通过高温固相法,在具有典型K2NiF4型结构的SrLaScO4、SrLa2Sc2O7基质中掺入了 Mn44+,得到了 Mn44+激活的深红色带谱发射荧光粉。并通过对其荧光激发、发射光谱、紫外-可见漫反射光谱等进行研究分析,首次对SrLaScO4:Mn44+、SrLa2Sc2O7:Mn44+的发光性质进行了探讨,同时对不同波长处的光谱峰位进行了归属,位于360 nm和510 nm左右的宽带激发峰分别对应于Mn44+从基态到激发态4A2g→4T1g和4A2g→4T2g的跃迁,690 nm的发射对应于Mn44+2Eg→4A2g的跃迁。SrLaScO4:Mn44+、SrLa2Sc2O7:Mn44+荧光材料在360 nm的波长激发下,表现出色纯度较好的红光发射,是一种潜在的新型暖白光LED用深红色荧光材料。650~750 nm的发射范围也同样满足太阳能电池响应光谱波段的要求也可应用于太阳能转光材料,实现电池光伏增效。2.采用高温固相反应法制备了可见光区宽带吸收、近红外光区宽带发射的Na2CaSn2Ge3O12:Cr4+系列转光粉,并对样品的晶体结构和发光性能作了相关研究。结果表明,Cr4+取代Sn44+占据了 SnO6八面体中心离子的格位,在Na2CaSn2Ge3O12的锡锗酸盐基质材料中具有380~780 nm的宽带激发,以及归属于Cr4+的2E→4A2和4T2→4A2跃迁的680~880 nm近红外发射。因此Na2CaSn2Ge3O12:Cr4+荧光粉具有应用于太阳能电池的潜在价值,可作为一种太阳光谱转换材料。
摘要第3-5页
Abstract第5-6页
第1章 绪论第9-25页
    1.1 研究背景介绍第10-16页
        1.1.1 发光现象与发光材料第10-11页
        1.1.2 发光材料的发光机理第11-12页
        1.1.3 发光材料的要求第12-13页
        1.1.4 制备条件对材料发光的影响第13-15页
        1.1.5 荧光材料的应用第15-16页
    1.2 过渡金属离子的发光特性第16-17页
    1.3 Mn~(4+)激活的深红色荧光粉第17-20页
    1.4 Cr~(3+)激活的深红色及近红外荧光材料第20-23页
    1.5 本课题的选题依据及主要研究内容第23-25页
第2章 样品的制备及表征第25-31页
    2.1 试剂及仪器第25-26页
        2.1.1 试剂第25-26页
        2.1.2 仪器第26页
    2.2 制备方法第26-27页
    2.3 表征手段及测试方法第27-31页
        2.3.1 X-射线粉末衍射第27-28页
        2.3.2 荧光光谱测试第28-29页
        2.3.3 荧光寿命测试第29页
        2.3.4 漫反射光谱第29-30页
        2.3.5 形貌分析和电子衍射第30-31页
第3章 新型红色荧光粉SrLaScO_4:Mn~(4+)和SrLa_2Sc_2O_7:Mn~(4+)的发光性能研究第31-47页
    3.1 引言第31-33页
    3.2 结果与讨论第33-47页
        3.2.1 样品的物相组成第33-35页
        3.2.2 晶体结构分析第35-36页
        3.2.3 电子结构与漫反射光谱第36-39页
        3.2.4 荧光光谱分析第39-42页
        3.2.5 荧光寿命第42-43页
        3.2.6 Mn~(4+)晶体场环境分析第43-44页
        3.2.7 SEM表征第44-45页
        3.2.8 LED和太阳能电池增效第45-47页
第4章 新型近红外荧光粉Na_2CaSn_2Ge_3O_(12):Cr~(3+)的发光性能研究第47-55页
    4.1 引言第47-48页
    4.2 结果与讨论第48-55页
        4.2.1 样品的物相组成第48-49页
        4.2.2 晶体结构分析第49-50页
        4.2.3 TEM表征第50页
        4.2.4 荧光光谱分析第50-52页
        4.2.5 荧光寿命第52-53页
        4.2.6 紫外—可见漫反射光谱第53页
        4.2.7 增效硅太阳能电池第53-55页
第5章 结论与展望第55-57页
    5.1 全文总结第55页
    5.2 工作展望第55-57页
参考文献第57-69页
致谢第69页
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