关于发红橙光的Gd3GaO6:Sm3+荧光体的研究：结构优化及其在暖白光LED中的应用

《Optical Materials》：Insights into reddish-orange emitting Gd3GaO6:Sm3+ phosphor: Structural refinement and photoluminescence characteristics for warm white LEDs

通过溶液燃烧法合成Sm3?掺杂Gd?GaO?荧光粉，XRD确认正交晶系（Cmc2?），PL显示主峰609nm（?G?/?→?H?/?），并探究能量转移机制及光致发光特性，适用于暖白光LED

　　

作者：Reshu Kajal、Devender Singh、Rinki Jangra、Pawan Kumar、Ramesh Kumar、Harish Kumar

印度罗塔克（Rohtak-124001）马哈希·达亚南德大学（Maharshi Dayanand University）化学系

摘要

通过溶液燃烧合成法制备了掺有三价钐的Gd₃GaO₆（GGO）荧光体，其中钐离子（Sm³⁺）的浓度介于1%到6%之间。采用X射线衍射（XRD）和光致发光（PL）技术对其结构和光学性质进行了研究。XRD和Rietveld分析确认了该荧光体属于Cmc2₁空间群的正交相。利用场发射扫描电子显微镜（FESEM）和能量色散X射线光谱（EDX）技术分别观察了其形貌和成分特征。主要发射峰位于609 nm处，对应于⁴G_5/2→⁶H_7/2跃迁，这是导致荧光体呈现红橙色的原因。PL光谱还显示了三个发射峰，分别位于568 nm、655 nm和714 nm，对应于⁴G_5/2→⁶H_{5/2、⁴G5/2→⁶H9/2和⁴G5/2→⁶H11/2跃迁。根据Dexter理论解释了能量转移距离（Rc = 20.92 ?）和能量转移机制（偶极-偶极相互作用）。寿命分析表明，随着三价钐离子浓度的增加，非辐射跃迁增强，荧光体的衰减时间逐渐缩短。此外，测得的色度坐标和色彩纯度值（79-82%）表明GGO:Sm³⁺荧光体适用于暖白色LED应用。}

引言

纳米技术领域的多项重要进展提升了研究人员进行新发现的能力，为复杂问题提供了解决方案，并为创新开辟了新途径[1]。纳米颗粒与块状材料相比具有不同的化学、光学、电子和磁学性质[2],[3]。由于稀土掺杂荧光体具有独特的发光颜色、低能耗、优异的发光性能和较高的温度稳定性等优点，因此得到了广泛关注[4],[5]。这些材料因能高效地将紫外线转化为可见光而受到重视，其显色指数（CRI）和色温（CCT）优于传统光源[6]。它们在光学传感、废水处理、平板显示器、热传感、荧光标记、多模态生物成像和激光设备等领域有广泛应用[7],[8],[9]。掺杂剂和基体材料被认为是发展高效纳米荧光体的关键因素。镧系离子由于其f-f和f-d跃迁而具有发光特性，被用作荧光体掺杂剂，从而奠定了具有优异热稳定性、高效能、长寿命、高亮度和低能耗的固态照明设备的基础[10],[11],[12]。研究表明，三价钐离子在紫外线照射下能产生吸引人的橙红色荧光[13]。Sm³⁺离子具有4f⁵电子构型，其⁶H_{5/2基态在橙色和红色区域发光，这归因于⁴G5/2→⁶H7/2和⁴G5/2→⁶H9/2跃迁[14]。稀土激活荧光体的光学性能受基体晶格的声子能量和带隙的显著影响，因此选择低声子能量的基体至关重要，这有利于辐射跃迁的发生，从而提高发光效率[15],[16]。在各种基体材料中，磷酸盐、硅酸盐、镓酸盐、铝酸盐、钨酸盐、硼酸盐、硝酸盐、氧化物、氮化物和基于镓酸盐的基体因合成简单、热稳定性和化学稳定性高以及能有效捕获稀土离子而受到全球关注[17],[18],[19]。}

尽管基于镓酸盐的荧光体已得到广泛研究，但大多数先前报道的荧光体是通过传统固态方法合成的，该方法需要高温和多次研磨过程，导致新缺陷的产生并降低光致发光效率[20]。相比之下，本研究采用溶液燃烧合成法制备了掺钐的Gd₃GaO₆荧光体，可在较低温度下快速合成，从而改善了结构均匀性和发光性能。通过XRD测量评估了样品的结构完整性，利用FESEM观察了颗粒大小和表面形态，通过EDX分析了粉末样品的化学成分，并通过激发和发射光谱分析了光学特性。除了发光研究外，本文还评估了CIE色度坐标、相关色温（CCT）和色彩纯度等光度参数，从而将材料特性与实际暖白色LED应用直接联系起来。

实验方法

采用溶液燃烧合成法制备了一系列Gd₃GaO₆基体和掺钐离子（Sm³⁺）的Gd_3-xGaO₆:xSm³⁺（x = 1-6 mol %）荧光体样品。图1展示了该合成过程的步骤示意图。首先将六水合硝酸钆、六水合硝酸镓和六水合硝酸钐加入100毫升去离子水中混合。此外，还精确添加了尿素...

表征技术

使用Rigaku Ultima X射线衍射仪和CuK辐射（波长1.54 ?）收集了合成粉末样品的晶体结构数据，2θ范围为10-70°。通过FullProf程序进行了详细的晶体学分析。使用Carl Zeiss Sigma 360仪器和FESEM观察了样品的颗粒形态。利用Ametek仪器通过EDX确定了样品的化学成分和元素组成。

XRD测量

通过XRD分析了未掺杂和掺钐离子的GGO样品的相结构和晶体学特性。图2(a)显示了纯Gd₃GaO₆和Gd_3-xGaO₆:xSm³⁺（x = 1-6 mol %）荧光体的XRD图谱。所有通过溶液燃烧法合成的荧光体的衍射峰都可以与标准JCPDS卡片编号53-1225相对应[23]。XRD图中没有额外峰，表明成功形成了单相Sm³⁺掺杂的GGO荧光体。由于离子电荷相似...

结论

本研究系统地研究了采用燃烧法制备的掺钐离子的Gd₃GaO₆荧光体，该方法具有简单性、高能量效率和高的产率。XRD数据证实了Sm³⁺离子成功掺入GGO基体中，这一点通过与标准JCPDS卡片编号53-1225的对齐得到了验证。荧光体呈现正交相，属于Cmc2₁空间群。利用FESEM和EDX技术分别确定了其结构完整性和化学成分。

作者贡献声明

Pawan Kumar：项目管理、正式分析。

Ramesh Kumar：可视化处理。

Devender Singh：撰写、审稿与编辑、监督、资源协调。

Rinki Jangra：数据验证。

Harish Kumar：软件开发。

Reshu Kajal：初稿撰写、方法设计、实验实施、数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

数据可用性声明

作者确认本文的研究信息和数据在文章中有所体现。

致谢

作者（Reshu Kajal）感谢新德里大学委员会（University Grant Commission-New Delhi）提供的初级研究奖学金[221610025278]。