张家骅，吕 伟，郝振东，张 霞，骆永石

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室，吉林长春130033）

利用能量传递实现可调全色单一白光BaMg2Al6Si9O30:Eu2+，Tb3+，Mn2+荧光粉（特邀）

张家骅*，吕 伟，郝振东，张 霞，骆永石

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室，吉林长春130033）

利用高温固相法制备了全色单一白光BaMg2Al6Si9O30:Eu2+，Tb3+，Mn2+荧光粉。通过对其荧光光谱，能量传递效率，以及荧光寿命的研究，证实了Eu2+-Mn2+和Eu2+-Tb3+之间存在能量传递。在此体系中，白光由450，540和610 nm的3个谱带组成，分别来源于Eu2+，Tb3+，Mn2+的发射。通过控制Tb3+/Mn2+的相对含量，可以得到色坐标为（0.31，0.30），显色指数为90，色温为5 374 K的白光。因此，该单一白光荧光粉在白光照明领域具有潜在的应用前景。

白光荧光粉；单一基质；能量传递；白光照明

1 引 言

作为当今两大主要光源，荧光灯和发光二极管（Light-emitting Diode，LED）灯被广泛应用于照明和显示领域。但是，它们都存在一些缺陷，例如，传统的荧光灯是通过激发红、绿、蓝3种荧光粉而形成白光，其自吸收会使发光效率降低。目前广泛应用的商业化白光LED主要通过InGaN蓝光LED芯片和具有石榴石结构的Y3Al5O12: Ce3+（YAG:Ce3+）黄色荧光粉相互结合而实现，但这种荧光粉制成的器件因缺少红光成分，显色指数较低，色温较高［1-3］，不适合在高质量的照明领域应用。针对上述问题，采用近紫外光管芯激发三基色荧光粉实现白光成为目前国际上在该领域研发的热点。目前，采用近紫外光管芯制成的白光LED普遍采用混合红、绿、蓝3种基色荧光粉的方法制得［4-6］，由于混合物之间存在颜色再吸收和配比调控等问题，这种白光荧光粉的流明效率和色彩还原性能受到较大影响［7-8］。因此，研制颜色稳定，色彩还原性和显色指数高，全色单一白光荧光粉具有十分重要的意义。

通过能量传递的原理，在合适的基质中引入Eu2+/Mn2+［9］，Ce3+/Mn2+［10］和Ce3+/Tb3+［11-12］，是研制全色单一白光荧光粉的一种主要方法。Mn2+离子4T1→6A1禁带跃迁的发光极弱，而Tb3+离子4f-4f跃迁在300～400 nm的吸收也很差。因此，需要一种合适的激活剂（如Eu2+）使其发光增强。本文研制了一种新型单一全彩色BaMg2Al6Si9O30（BMAS）:Eu2+，Tb3+，Mn2+白光荧光粉。通过控制Tb3+/Mn2+的相对含量，得到了高显色指数稳定的白光。另外，研究了Eu2+-Mn2+和Eu2+-Tb3+之间的能量传递。

2 实 验

2.1 材料制备

采用传统的高温固相法合成了Ba1-xMg2-y-zAl6Si9O30（BMAS）:x Eu2+，y Tb3+，z Mn2+荧光粉样品。所用原料为BaCO3（99.9%），Al2O3（99.9%），SiO2（99.9%），MgO（99.9%），Eu2O3（99.99%），Tb4O7（99.99%）和MnCO3（99.99%）。按照化学计量比称取相应的原料，将原料置入玛瑙研钵中充分研磨30 min，使其均匀装入刚玉坩埚，放入高温管式炉中，在体积比为10:1的氮氢混合气氛下，在1 300℃下煅烧4 h，自然冷却至室温，取出后研磨即得BMAS:Eu2+，Tb3+，Mn2+荧光粉。

2.2 样品表征

采用X射线衍射仪（Rigaku D/M AX-2500V）对合成样品进行物相分析;采用日立F-4500荧光光谱仪测得荧光粉的激发、发射光谱;利用Tektronix-TDS 3052数字示波器进行寿命测量，激发光为Nd:YAG激光器输出的三倍频355 nm脉冲激光。

3 结果与讨论

3.1 样品的XRD分析与BMAS:Eu2+发光性质

图1是样品的XRD谱，与标准卡片JCPDS 83-0740完全一致，说明掺杂没有改变BMAS晶体的结构。

图1 BMAS:x Eu2+，y Tb3+，z Mn2+荧光粉的XRD谱Fig.1 XRD patterns of BMAS:x Eu2+，y Tb3+，z Mn2+phosphor

图2为BMAS:Eu2+荧光粉的发射和激发谱，在330 nm激发下，发射光谱由两个谱带组成，分别位于370和450 nm处。两个发射带的激发谱覆盖200～400 nm的UV波长。另外，监测两个发射带可知，它们的激发谱不一致，说明它们是两个独立的发光中心。与相关研究结果比对显示［13］，这两个发射带可归结为处于不同格位上的Eu2+离子占据不同格位的发射。其中，370 nm的发射带为Eu2+（Ⅰ）占据Ba2+离子处于弱场的发射，而450 nm的发射带为Eu2+（Ⅰ）占据Mg2+离子处于强场的发射。

图2 在330 nm激发下，BMAS:Eu2+荧光粉的发射和激发谱Fig.2 Excitation and emission spectra of BMAS:Eu2+phosphors at the excitation wavelength of 330 nm

3.2 Eu2+-Tb3+与Eu2+-M n2+之间的能量传递

图3分别是BMAS:Eu2+（a），BMAS: Tb3+（b），BMAS:Eu2+，Tb3+（c）荧光粉的激发和发射谱。Tb3+的激发峰由处于300～500 nm的较弱线状谱组成，归属于Tb3+的4f-4f跃迁。在378 nm激发下，Tb3+的发射峰位于485，545，580和620 nm处，是由5D4到7FJ（J=6，5，4，3）的跃迁造成的［14］。由于Eu2+的4f-5d跃迁为电偶极允许，明显强于Tb3+的4f-4f跃迁。从图3（a）和（b）中可以看出，Eu2+的发射谱和Tb3+的激发谱有一个很大的交叠区域，说明可能存在能量传递。而图3（c）中，监测Tb3+的542 nm发射的激发谱与监测Eu2+（Ⅱ）的450 nm的激发谱形状一致，证实了Eu2+（Ⅱ）到Tb3+的能量传递。

图4为BMAS:0.04Eu2+，y Tb3+（y=0，0.02，0.04，0.06，0.08，0.1）荧光粉在330 nm激发下的发射光谱。从图中可以看到，随着Tb3+浓度的增加，Tb3+的发射强度逐渐增强。这进一步证明了在BMAS基质中存在Eu2+→Tb3+的能量传递，并且随着Tb3+离子浓度的增加，Eu2+→Tb3+的能量传递更加有效。这是因为能量传递与Eu2+离子和Tb3+离子之间的距离有关。随着Tb3+离子浓度的增加，Eu2+与Tb3+之间的距离减小，Eu2+向Tb3+传递能量更容易进行。

图3 BMAS:Eu2+（a），BMAS:Tb3+（b），BMAS: Eu2+，Tb3+（c）荧光粉的激发和发射谱Fig.3 Excitation and emission spectra of BMAS:Eu2+（a），BMAS:Mn2+（b），BMAS:Eu2+，Mn2+（c）phosphors

图4 BMAS:0.04Eu2+，y Tb3+（y=0，0.02，0.04，0.06，0.08，0.1）荧光粉的发射光谱（激发波长为330 nm）Fig.4 Emission spectra of BMAS:0.04Eu2+，y Tb3+phosphors with different doping contents y at the excitation wavelength of 330 nm

为了进一步分析能量传递效率随Tb3+浓度变化的关系，在BMAS:0.04Eu2+，y Tb3+体系中测试并得到了Eu2+（Ⅰ）和Eu2+（Ⅱ）在370和450 nm处的荧光寿命，如图5所示。从图中可以看出，随着Tb3+浓度的增加，Eu2+（Ⅱ）的寿命减小，而Eu2+（Ⅰ）的寿命基本不变，说明能量传递主要发生在Eu2+（Ⅱ）→Tb3+。能量传递效率可以表示为ηEu-Tb=1-τ2/τ20，其中τ20和τ2分别为不掺Tb3+和掺Tb3+时Eu2+（Ⅱ）的寿命。图5中显示的能量传递效率是随Tb3+离子浓度的增加而提高的。当Tb3+浓度为10%时，能量传递效率可达到11%。尽管它们之间的能量传递效率很低，但是从图中可以看出，Tb3+的强发射极大地提高了应用在荧光灯和LED灯的绿光成分。

图5 BMAS:0.04Eu2+，y Tb3+体系中Eu2+（Ⅰ）（τ1）和Eu2+（Ⅱ）（τ2）在370和450 nm处的荧光寿命Fig.5 Lifetimes of Eu2+（Ⅰ）（τ1）and Eu2+（Ⅱ）（τ2）of BMAS:0.04Eu2+，y Tb3+phosphors with different Tb3+concentrations at the wavelengths of370 and 450 nm

图6（a）和（b）为在BMAS基质中单掺Eu2+和Mn2+的激发和发射谱。Mn2+的4T1-6A1跃迁产生610 nm的红光。监测610 nm可以看出，其激发谱由355和406 nm两个峰组成，它们分别归属于6A1（6S）到4T2（4D）和（4A1（4G），4E（4G））Mn2+能级的禁戒跃迁［15］。图6（c）为BMAS: 0.04Eu2+，0.2Mn2+的激发和发射谱。与BMAS: 0.04Eu2+，y Tb3+不同的是，监测Mn2+的610 nm发射的激发谱似乎同监测Eu2+（Ⅰ）的450 nm的激发谱更为相近，可以认为Mn2+的能量主要来自于Eu2+（Ⅰ），更为详细的分析将在以后的工作中讨论，这里主要研究作为红光成分的Mn2+在荧光灯及LED灯中的作用。

图7为BMAS:0.04Eu2+，z Mn2+（z=0，0.04， 0.08，0.12，0.16，0.20）荧光粉在330 nm激发下的发射光谱。从图中可以看到，随着Mn2+浓度的增加，Mn2+的发射强度逐渐增强，而Eu2+的发射强度逐渐减弱，这更加证实了在BMAS: 0.04Eu2+，z Mn2+中Eu2+→Mn2+的能量传递。

图6 BMAS:Eu2+（a），BMAS:Mn2+（b），BMAS: Eu2+，Mn2+（c）荧光粉的激发和发射谱Fig.6 Excitation and emission spectra of BMAS:Eu2+（a），BMAS:Mn2+（b），BMAS:Eu2+，Mn2+（c）phosphors

图7 BMAS:0.04Eu2+，z Mn2+（z=0，0.04，0.08，0.12，0.16，0.20）荧光粉的发射光谱（激发波长为330 nm）Fig.7 Emission spectra of BMAS:0.04Eu2+，z Mn2+phosphorswith different doping contents z at the excitation wavelength of 330 nm

3.3 单一白光BMAS:Eu2+，Tb3+，M n2+的发光性质

为了寻求白光的最佳浓度，合成了BMAS: 0.04Eu2+，y Tb3+，z Mn2+系列荧光粉，测试了在365 nm激发下的发射光谱。图8为选取的BMAS:0.04Eu2+，0.08Tb3+，0.16Mn2+荧光粉在365 nm激发下的发射光谱。

经过测试，可以得出其色坐标为（0.31，0.30），位于白光区域;显色指数为90，优于传统的荧光灯（Ra≈85）和商用LED灯（Ra≈78）;色温为5 374 K。因此，该单一全彩色荧光粉有望成为新一代的白光荧光粉。

图8 BMAS:0.04Eu2+，0.08Tb3+，0.16Mn2+荧光粉在365 nm激发下的发射光谱Fig.8 Emission spectra of single composition BMAS: 0.04Eu2+，0.08Tb3+，0.16Mn2+phosphors under 365 nm excitation

4 结 论

通过高温固相反应法，合成了一系列单一全色BMAS:Eu2+，Tb3+，Mn2+白光荧光粉。研究了Eu2+-Tb3+和Eu2+-Mn2+之间的能量传递。在此体系中，白光包含的450，540和610 nm 3个发射谱带，分别来源于Eu2+，Tb3+，Mn2+的发射。通过控制Tb3+/Mn2+的相对含量，可以得到色坐标为（0.31，0.30），显色指数为90，色温为5 374 K的单一白光。因此，该单一白光荧光粉在白光照明领域具有潜在的应用前景。

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Color-tunablewhite-light em itting BaMg2Al6Si9O30: Eu2+，Tb3+，Mn2+phosphors via energy transfer（Invited）

ZHANG Jia-hua*，LÜWei，HAO Zhen-dong，ZHANG Xia，LUO Yong-shi
（State Key Laboratory of Luminescence and Applications，Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）
*Corresponding author，E-mail：zhangjh@ciomp.ac.cn

Single-phase white-light emitting phosphors BaMg2Al6Si9O30:Eu2+，Tb3+，Mn2+are synthesized by solid state reaction.The energy transfers from Eu2+to Tb3+and Eu2+to Mn2+in BaMg2Al6Si9O30are demonstrated by fluorescent spectra，energy transfer efficiency and fluorescent life time analysis.The BaMg2Al6Si9O30:Eu2+，Tb3+，Mn2+shows three emitting colors：450，542 and 610 nm，which are assigned to the contribution from Eu2+，Tb3+and Mn2+，respectively.By tuning the relative composition of Tb3+/Mn2+，chromaticity coordinates of（0.31，0.30），color rendering index Ra=90 and Correlated Color Temperature（CCT）of 5 374 K can be achieved upon the excitation of UV light.Experimental results indicate that the present phosphor BaMg2Al6Si9O30:Eu2+，Tb3+，Mn2+can serve as potential candidates for light emitting diodes.

white-light emitting phosphor;single-phase;energy transfer;white LED

TN104.3；O482.31

A

10.3788/CO.20120503.0203

张家骅（1965—），男，黑龙江呼兰人，博士，研究员，博士生导师。1986年毕业于哈尔滨工业大学半导体物理与器件专业，获工学学士学位。1997年毕业于中国科学院长春物理研究所凝聚态物理专业，获理学博士学位，同年破格晋升为研究员。先后在意大利国际理论物理中心、法国国家科研中心、瑞士日内瓦大学和荷兰阿姆斯特丹大学做高级访问学者，主要从事稀土发光材料的研究。先后主持国家和省部级项目20余项;发表论文100余篇，被引用200余次;申请和授权专利10余项。E-mail：zhangjh@ciomp.ac.cn

1674-2915（2012）03-0203-06

2012-01-12；

2012-03-16

国家自然科学基金资助项目（No.10834006，10904141，10904140，51172226）;国家科技部资助项目（No. 2006CB601104）;吉林省科技发展计划资助项目（No.20090134，20090524）