新型超宽近红外荧光粉的合成与性能研究

作     者：曾华涛 

作者单位：厦门大学 

学位级别：硕士

导师姓名：解荣军

授予年度：2020年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070302[理学-分析化学] 0703[理学-化学] 

主      题：近红外荧光粉 Cr3+掺杂 宽谱带发射 食品检测 NIR pc-LED 

摘      要：近年来微型光谱仪发展迅速,将高效便捷的小型近红外光谱仪集成到手机等便携设备,有望实现食物营养分析和人体健康监测。近红外光谱仪的光源小型化可通过近红外荧光粉组合蓝光LED而实现,即NIR pc-LED。该器件中近红外荧光材料是重要的关键材料,然而现有近红外荧光材料普遍存在光谱覆盖范围窄、发光效率低且与蓝光LED芯片不匹配等问题。为达到实际应用的要求,亟需开发能被蓝光激发、量子效率高且发射光谱位于700～1400 nm范围内的近红外荧光转换材料。本文以Cr3+为发光中心,采用具有弱晶体场格位环境的氧化物作为基质,开发了三种新型近红外宽带发射荧光粉,围绕其物相结构、发光性能、光谱调控和工艺优化等进行了深入研究,结果如下:(1)使用高温固相反应法制备了发射峰位于825 nm、半高宽FWHM为210 nm、内量子效率IQE为58%的超宽带NIR荧光粉La2MgZrO6:Cr。该材料属于双钙钛矿结构,具有两种适合Cr3+占据的八面体格位。通过结构精修、掺杂形成能的第一性原理计算以及发光性能的综合分析,证明La2MgZrO6:Cr的超宽发射光谱来源于两种Cr3+发光中心。该材料的猝灭浓度为3%,但热猝灭特性较差,400 K时发光强度仅为室温时的53%。采用阳离子取代对超宽光谱峰位进行了调控,但杂质的引入会导致发光强度下降。该材料表现出良好的抗老化特性。最后,我们初步制备了两种使用该荧光粉的宽谱NIR pc-LED光源。(2)使用高温固相反应法制备了宽谱近红外发光材料La2Hf207:Cr,Ga,其最佳激发位置正好匹配于450 nm蓝光芯片,近红外发射峰位于1230 nm,且FWHM高达180 nm,荧光寿命为1 ms。该发射峰可以补足现有宽带NIR荧光粉覆盖不到的波段。通过结构和物相分析,确认所合成的发光样品La2Hf2O7:Cr,Ga为立方烧绿石结构。实验结果表明只有Cr、Ga共掺杂样品才能观察到宽带近红外发光现象。此外,通过调整Ga共掺杂含量及优化工艺条件,确定5%Ga共掺杂和使用不同气氛二次烧结能进一步提高了该材料的发光强度。我们初步认为由于La2Hf2O7基质独特的氧缺陷特性,Ga3+的引入使得La2Hf2O7晶格中产生独特的配位环境或晶格缺陷,为Cr3+提供了有别于传统八面体配位环境的发光中心。(3)基于高温固相反应法制备了近红外宽发射材料La3Ga5HfO14:Cr。该材料属于三方晶系A3BC3D2014结构。低浓度掺杂时,具有一个弱晶体场强度的八面体格位供Cr3+产生4T2能级950 nm的近红外宽发射。随着掺杂浓度进一步提高,产物中不可避免地出现了 La2Hf207杂相,高浓度掺杂La3Ga5HfO14:Cr样品可以得到杂相1230 nm发射峰与主相950 nm发射峰,两者重叠而成可获得近红外全覆盖光谱。尽管这是一种两相混合物发光,但两相激发光谱均与蓝光LED芯片匹配,且这种超宽光谱的光强分布可以通过改变Cr浓度和使用Si→Hf固溶取代做进一步调控,以获得理想的近红外发射光谱形状。