Eu3＋掺杂Sr3RAl2O7.5（R＝Y，Lu）粉末的发光性质

于立军，李 冰，杨继凯

（长春师范大学物理学院，吉林长春130012）

Eu3＋掺杂Sr3RAl2O7.5（R＝Y，Lu）粉末的发光性质

于立军，李 冰，杨继凯

（长春师范大学物理学院，吉林长春130012）

通过分解硝酸盐的方法制备了Eu3＋掺杂Sr3RAl2O7.5（R＝Y，Lu）的粉末，并在紫外光激发下对2种样品的激发光谱和发射光谱进行了研究.结果表明：Eu3＋在不同局域环境下表现出不同的发光特性；改变基质成分能调节稀土离子Eu3＋的发光特性.

发光；稀土离子；Sr3YAl2O7.5；Sr3LuAl2O7.5

目前，稀土离子掺杂的材料广泛应用到彩色显示器、光信息存储、生物医疗、温度传感器等光学设备上［1－2］.该类氧化物具有高化学稳定性、良好的热稳定性以及与稀土离子结合稳定等特殊优点，因此，稀土离子掺杂氧化物材料的发光性能得到了人们广泛关注［3－6］.

由于稀土离子Eu3＋在红光区域具有很强的发射带［7－13］，因此Eu3＋掺杂材料广泛应用到荧光灯和彩色TV监控器上.另外，光学活性稀土离子的基质环境对光学跃迁产生重要的影响［14］.对于Sr3YAl2O7.5和Sr3LuAl2O7.5的化合物，尽管它们具有相同的空间结构，但是Lu3＋半径略小于Y3＋半径，这将导致基质环境具有很大的不同.Y的氧化物价带能级主要是氧的2p轨道构成，而Lu的氧化物价带顶主要由Lu的4f轨道构成［15－17］，因此稀土离子掺杂在相同空间结构的Sr3YAl2O7.5和Sr3LuAl2O7.5氧化物中的发光性质必然不同.我们曾经在Yb3＋／Ho3＋共掺杂的Sr3RAl2O7.5（R＝Y，Lu）的材料中，发现Ho3＋在这2种基质材料中表现出完全不同的上转换发光性能［18］.但是关于Eu3＋掺杂Sr3RAl2O7.5（R＝Y，Lu）材料的下转换发光性能的研究未见报道.因此，本文通过分解硝酸盐的方法获得了Eu3＋掺杂Sr3RAl2O7.5（R＝Y，Lu）的粉末，研究了Eu3＋在这2种基质材料中的下转换发光性能.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

试剂：Al（NO3）3·9H2O，Y2O3，Lu2O3，Sr2CO3，Eu2O3和HNO3均为分析纯；硝酸盐通过相应的氧化物和稀硝酸反应合成.

仪器：JSM－5600LV扫描电镜（SEM）；D－500XRD仪；氙灯激发源的HITACHI F－4500荧光光谱仪.

1.2 实验过程

在硝酸盐溶液中根据Sr3R0.99Eu0.01Al2O7.5（R＝Y，Lu）的组成进行配制，然后将配制好的溶液放入柄皿中加热蒸发1h，发现溶液变成黄色凝胶.在400℃温度下将得到的黄色凝胶恒温加热2h，然后再升温至1 200℃，恒温烧结10h，得到Eu3＋掺杂Sr3YAl2O7.5和Sr3LuAl2O7.5白色粉末样品.

2 结构与讨论

2.1 XRD和SEM

Eu3＋掺杂Sr3RAl2O7.5（R＝Y，Lu）粉末的XRD谱见图1.从图1可以看到Sr3YAl2O7.5和Sr3LuAl2O7.5的特征衍射峰，没有观测到其他氧化物杂质峰，这说明我们已经合成了Eu3＋掺杂Sr3RAl2O7.5（R＝Y，Lu）的样品.Eu3＋掺杂Sr3RAl2O7.5（R＝Y，Lu）粉末的SEM照片见图2.从图2中看出2个样品中的粒子均没有规则的形状，并且都有粒子团聚现象存在.另外，发现Eu3＋掺杂Sr3LuAl2O7.5样品中形成的团聚粒子比Eu3＋掺杂Sr3YAl2O7.5样品中形成的团聚粒子小.

图1 Eu3＋掺杂Sr3RAl2O7.5（R＝Y，Lu）粉末的XRD谱

图2 Eu3＋掺杂Sr3RAl2O7.5（R＝Y，Lu）粉末的SEM照片

2.2 发射光谱

在248nm激光激发下，Eu3＋掺杂Sr3YAl2O7.5粉末的发射光谱见图3a.在242nm激光激发下Eu3＋掺杂Sr3LuAl2O7.5的发射光谱见图3b.在2种样品中，都观测到530～545nm，575～585nm，585～604nm和604～640nm波段的光谱发射带.这些发射带都是Eu3＋的特征发射峰，分别由Eu3＋能级5D1→7F1，5D0→7F0，5D0→7F1和5D0→7F2之间的跃迁产生的.

图3 Eu3＋掺杂Sr3RAl2O7.5（R＝Y，Lu）粉末的发射光谱

2种基质材料中的能级跃迁波长见表1.由表1可见：对于Eu3＋的能级5D0→7F1的跃迁而言，Eu3＋掺杂Sr3YAl2O7.5样品显示4个跃迁波长，对应于585～604nm谱带的4个分裂峰.实际上能级5D0→2L＋1FJ的跃迁过程中最大分裂数为2J＋1［19－20］.因此，能级5D0→7F1的跃迁最大分裂数为应为3.然而在实验结果中，能级5D0→7F1的跃迁过程中分裂峰的数值为4，大于最大分裂数3.表明Eu3＋在基质Sr3YAl2O7.5中可能占据了不同晶格位置.

表1 2种基质材料中Eu3＋的5D1→7F1，5D0→7F0，5D0→7F1和5D0→7F2能级跃迁波长nm

Eu3＋的能级5D0→7F1跃迁是磁偶极跃迁，受到基质环境影响较弱.能级5D0→7F2跃迁是电偶极跃迁，受到基质环境影响较强［21－22］.我们能从图3中看到Eu3＋掺杂Sr3YAl2O7.5样品最强发射峰为能级5D0→7F2的电偶级跃迁，它位于612nm处［23］.然而Eu3＋掺杂Sr3LuAl2O7.5样品最强的发射峰为能级5D0→7F1的磁偶极跃迁，它位于592nm处［24］.Eu3＋在基质材料中局域配位环境情况可以通过Eu3＋的电偶极跃迁和磁偶极跃迁的整体积分强度比（I（5D0→7F2）／I（5D0→7F1））获得［21－22］.从图3中2种材料的发射谱中发现，获得了Eu3＋掺杂Sr3YAl2O7.5样品的I（5D0→7F2）／I（5D0→7F1）比值为1.66.另外，Eu3＋掺杂Sr3LuAl2O7.5样品的I（5D0→7F2）／I（5D0→7F1）比值为1.03.这表明前者的电偶极跃迁强于后者的，也表明了Sr3YAl2O7.5比Sr3LuAl2O7.5对称性更差.证明了基质环境对稀土离子的发光特性产生影响，随着基质材料的不同，最强发射峰值出现变化，可以通过选择基质材料的成分来调节发光颜色.

2.3 激发光谱

为了进一步探索Eu3＋掺杂Sr3YAl2O7.5和Sr3LuAl2O7.5基质在局域环境的不同的激发光谱，分别测试了612nm监测的Eu3＋掺杂Sr3YAl2O7.5和592nm监测的Eu3＋掺杂Sr3LuAl2O7.5的激发光谱（见图4）.这2种样品的激发带都在220～285nm波段范围内，此激发带是由O2－→Eu3＋的电荷迁移而产生的.对于O2－→Eu3＋电荷迁移带，在Eu3＋掺杂Sr3YAl2O7.5样品中存在248，269，273，和282nm 4个峰，在Eu3＋掺杂Sr3LuAl2O7.5样品中存在242，264，272和282nm 4个峰.所有这些峰均属于O2－到Eu3＋的电荷迁移带［25－26］.

图4 Eu3＋掺杂Sr3RAl2O7.5（R＝Y，Lu）的激发光谱

4 结论

本文通过硝酸盐分解的方法制备Eu3＋掺杂Sr3RAl2O7.5（R＝Y，Lu）的粉末.Eu3＋在具有相同空间结构的Sr3YAl2O7.5和Sr3LuAl2O7.5基质中，在处于不同的局域环境中，发光特性完全不同.根据能级跃迁5D0→7F1和5D0→7F2的比值得出了Eu3＋在Sr3YAl2O7.5中的对称性比在Sr3LuAl2O7.5中低.说明Eu3＋掺杂Sr3YAl2O7.5样品中比掺杂Sr3LuAl2O7.5的发光更强.因此，可以通过改变基质材料的组成而改变发光特性，这对开发和设计新颖的发光材料具有重要的意义.

［1］ YANG JIANHU，ZHANG LIYANG，WEN LEI.Optical transitions and upconversion luminescence of Yb3＋／Er3＋－codoped halide modified tellurite glasses［J］.J Appl Phys，2004（95）：3020－3026.

［2］ LIM S F，RIEHN R，RYU W S.In vivo and scanning electron microscopy imaging of upconverting nanophosphors in caenorhabditis elegans［J］.Nano Lett，2006，6：169－174.

［3］ YANG LINMEI，SONG HONGWEI，YU LIXIN.Unusual power－dependent and time－dependent upconversion luminescence in nanocrystals Y2O3∶Ho3＋／Yb3＋［J］.J Lumin，2006，116：101－106.

［4］ LIU M，WANG S W，ZHANG J.Dominant red emission（4F9／2→4I15／2）via upconversionin YAG（Y3Al5O12）∶Yb3＋，Er3＋nanopowders［J］.Opt Mater，2007，29：1352－1357.

［5］ LI XUJIE，NIE QIUHUA，DAI SHIXUN.Investigation of energy transfer and frequency upconversion in Ho3＋／Yb3＋codoped tellurite glasses［J］.J Phys Chem Solids，2007，68：1566－1570.

［6］ ZHOU LIYA，SHI JIANXIN，GONG MENGLIANG.Preparation of SrR2O4∶Eu3＋（R＝Y，Lu）phosphor and itsphotoluminescence properties［J］.Mater Lett，2005，59：2079－2084.

［7］ HINTZEN H.T，VAN KREVEL J W H，DE GRAAF D.Evidence for the presence of Eu2＋in（Y，Eu）—Si—Al—O—N glass by luminescence spectroscopy［J］.J Mater Sci，2004，39（6）：2237－2238.

［8］ ARK W，SUMMERS C J，DO Y R.Photoluminescence properties of red emitting BaGdB（9）O（16）∶Eu phosphor［J］.J Mater Sci，2002，37：4041－4045.

［9］ MORAIS E A，SCALVI L V A，TABATA A.Photoluminescence of Eu3＋ion in SnO2obtained by sol－gel［J］.J Mater Sci，2008，43（1）：345－349.

［10］ KOUSUKE SHIOI，HIROSAKI NAOTO，XIE RONGJUN.Luminescence properties of SrSi6N8∶Eu2＋［J］.J Mater Sci，2008，43（16）：5659－5661.

［11］ BOL A A，MEIJERINK A.Long－lived Mn2＋emission in nanocrystalline ZnS∶Mn2＋［J］.Phys Rev B，1998，58（24）：15997－16000.

［12］ TERNANE R，TRABELSI－AYEDI M，KBIR－ARIGUIB N.Luminescent properties of Eu3＋in calcium hydroxyapatite［J］.J Lumin，1999，81（3）：165－170.

［13］ SONG HONGWEI，CHEN BAOJIU，SUN BBAOJUAN.Ultraviolet light－induced spectral change in cubic nanocrystalline Y2O3：Eu3＋［J］.Chem Phys Lett，2003，372（3）：368－372.

［14］ PATRA A，SAHA S，ALENCAR M A R C.Blue upconversion emission of Tm3＋－Yb3＋in ZrO2nanocrystals role of Yb3＋ions［J］.Chem Phys Lett，2005，407：477－481.

［15］ MAUNIER C，DOUALAN J L，MONCORGE R.Spectroscopic characterization，and laser performance of Nd∶LuVO4，a new infrared laser material that is suitable for diode pumping［J］.J Opt Soc Am B，2002，19（8）：1794－1800.

［16］ SIDORENKO A V，BOS A J J，DORENBOS P.Storage effect in LiRESiO4∶Ce3＋，Sm3＋，RE＝Y，Lu phosphor［J］.Nucl Instr and Meth A，2005，537：81－85.

［17］ KORZHIK M V，LECOQ P.Physics of scintillation in REAlO3∶Ce3＋（RE＝Y，Lu）［J］.Nucl Instr and Meth A，2005，537：40－44.

［18］ YANG JIKAI，DING JIANWEN，XIAO SIGUO.Luminescence properties of Yb3＋／Ho3＋co－doped Sr3YAl2O7.5and Sr3LuAl2O7.5powders［J］.J Alloys Compd，2013，577：86－89.

［19］ ZHOU LIYA，SHI JIANXIN，GONG MENGLIAN.Red phosphor SrY2O4∶Eu3＋synthesized by the sol－gel method［J］.J Lumin，2005，113：285－290.

［20］ MALTA O L，BRITO H F，MENEZES J F S.Spectroscopic properties of a new light－converting device Eu（thenoyltrifluoroacetonate）32（dibenzyl sulfoxide）.A theoretical analysis based on structural data obtained from a sparkle model［J］.J Lumin，1997，75（3）：255－268.

［21］ REISFELD R，GREENBERG E，BROWN R N.Fluorescence of europium（Ⅲ）in a flouride glass containing zirconium［J］.Chem Phys Lett，1983，95（2）：91－94.

［22］ ZAHIR M，OLAZCUAGA R，PARENT C.A structural interpretation of the Pb2＋，Eu3＋and Nd3＋optical spectra in doped sodium borate glasses［J］.J Non－Cryst Solids，1985，69：221－229.

［23］ GAO J H，LI R K.Preparation，structure and luminescent properties of a new potassium yttrium borate K3Y3（BO3）4［J］.Mater Res Bull，2008，43：882－888.

［24］ LI XIAOXIA，WANG YUHUA，CHEN ZHONG.Photoluminescence properties of GdBa3B9O18∶Ln3＋（Ln＝Eu，Tb）under UV and VUV excitation［J］.J Alloys Compd，2008，453（1／2）：392－394.

［25］ FU ZUOLING，ZHOU SHIHONG，YU YINGNING.Photoluminescence properties and analysis of spectral structure of Eu3＋－doped SrY2O4［J］.J Phys Chem B，2005，109（49）：23320－23325.

［26］ FU ZUOLING，ZHOU SHIHONG，ZHANG SIYUAN.Preparation and optical properties of trivalent europium－doped bulk and nanocrystalline SrY2O4［J］.J Opt Soc Am B，2006，23（9）：1852－1858.

Luminescence properties of Sr3RAl2O7.5∶Eu3＋（R＝Y，Lu）powders

YU Li－jun，LI Bing，YANG Ji－kai
（College of Physics，Changchun Normal University，Changchun 130012，China）

Sr3YAl2O7.5∶Eu3＋and Sr3LuAl2O7.5∶Eu3＋powders have been prepared by nitricdecomposition method.the excitation and emission spectra of the two samples are discussed.Some different luminescence characteristics were observed in the two samples，which could be ascribed to the distinct local environment of Eu3＋ions.The results reveal that the luminescence properties of Eu3＋can be modulated bychangingthe host composition.

luminescence；rare earth；Sr3YAl2O7.5；Sr3LuAl2O7.5

O 482.3 ［学科代码］ 140·30

A

（责任编辑：石绍庆）

1000－1832（2015）02－0079－04

10.16163／j.cnki.22－1123／n.2015.02.016

2015－01－12

国家自然科学基金资助项目（61404010）；吉林省教育科学规划课题（GH13300）.

于立军（1958—），男，副教授，主要从事光谱学研究及半导体光电器件研究.