发射暖红橙色光的Pr3+掺杂KCaBi(PO4)2荧光粉：用于固态照明的光学跃迁及Judd-Ofelt分析

《Journal of Luminescence》：Warm reddish-orange emitting Pr3+ doped KCaBi(PO 4) 2 phosphors: Optical transitions and Judd-Ofelt analysis for solid state lighting

采用固态反应法合成了Pr3+掺杂的KCaBi(PO?)?磷光体，通过XRD和FESEM分析确认其六方晶系结构及形貌，604 nm处存在最佳掺杂浓度（0.5 mol%）的橙红色发射峰，热稳定性达71.7%，Judd-Ofelt分析表明Ω?>Ω?>Ω?，适用于pc-WLEDs和传感应用。

　　

E. Muthulakshmi | Kavia J. Albert | S. Masilla Moses Kennedy

物理系，Sri Sivasubramaniya Nadar 工程学院，Kalavakkam，金奈 603 110，印度

摘要

采用传统的固态反应方法合成了发红橙光的 Pr³⁺ 掺杂 KCaBi(PO₄)₂ 磷光体。通过 XRD 图谱分析并进一步精细处理，确认样品结晶为属于 P6₂22 空间群的六方结构。利用 FESEM 和 EDS 图像分析了该磷光体的形貌和元素组成。光致发光研究表明，在 442 nm 的激发下，样品在 604 nm 处具有发光峰。当 Pr³⁺ 离子的掺杂浓度为 0.5 mol% 时，观察到浓度猝灭现象。温度依赖性的光致发光（TDPL）光谱显示其热稳定性为 71.7%。Judd-Ofelt 理论分析表明，强度参数遵循 Ω₂>Ω₆ >Ω₄ 的顺序。衰减曲线分析显示，随着掺杂浓度的增加，发光寿命呈下降趋势，相对灵敏度值为 0.1 %K^{-1₄)₂: Pr3+ 磷光体的优良光学性能使其在磷光转换白光二极管（pc-WLED）和传感领域具有潜在应用价值。}

引言

传统的照明方式（如白炽灯和荧光灯）存在能耗高、寿命短以及环境影响较大的问题。这些挑战促使人们寻找更高效、更耐用的替代方案。其中，白光二极管（WLED）因具有较长的使用寿命和在多种条件下的良好稳定性而成为有前景的解决方案 [1], [2], [3], [4], [5], [6]。WLED 技术通过克服传统局限，正在迅速改变现代照明和显示应用的格局。优异的热稳定性和化学稳定性的磷光体的集成有助于提升性能 [7], [8], [9], [10]。在各种类型的磷光体中，磷酸盐磷光体因其可调的发光特性和增强 WLED 耐用性的能力而被选中 [11], [12]。在本研究中，选择 Pr³⁺ 离子作为掺杂剂，因为它们具有多个亚稳态能级 [13], [14]。通过选择合适的基质并精确调控 Pr³⁺ 的浓度，可以制备出具有多样且高效发光特性的磷光体。

Pr³⁺ 掺杂的单相磷光体在多个应用领域受到了广泛关注，并得到了许多研究人员的深入研究。N. Rebrova 等人探讨了 LiY₉(SiO₄)₆O₂: Pr³⁺ 磷光体中的能量传递机制 [15]；Jiawen Wang 等人报道了 LiLaMgWO₆: Pr³⁺ 磷光体的结构特性和发光特性，用于光温度计应用 [16]；A. Balakrishna 等人研究了不同碱土元素对 Pr³⁺ 掺杂 NaMPO₄（M = Mg, Ca, Sr, Ba）磷光体发光性能的影响，并观察到红橙色区域的发光 [17]；Megala Rajesh 等人研究了 Ba₃Y(PO₄)₃: Pr³⁺ 磷光体的发光行为和色度特性 [18]。与其他报道的 Pr³⁺ 掺杂磷光体相比，KCaBi(PO₄)₂ 磷光体是一种含有 Bi³⁺ 的混合阳离子磷酸盐基质，具有 A^IB^IIC^III 结构，支持多种稀土离子的掺入。Bi³⁺ 含量的磷酸盐基质为 Pr³⁺ 离子提供了不同的局部配位环境，这可能影响其在近紫外激发下的发光带。总体而言，这些研究表明 Pr³⁺ 掺杂材料具有出色的发光性能，凸显了它们在基于磷光体的技术中的应用潜力。

本研究的重点在于探索掺杂 Pr³⁺ 离子的磷酸盐基磷光体。通过固态反应方法合成了 Pr³⁺ 掺杂的 KCaBi(PO₄)₂ 磷光体，并对其结构和形貌进行了表征。在室温和不同温度条件下对其光致发光和衰减行为进行了研究。同时，还评估了其色度参数，以确定其在固态照明和基于寿命的光温度测量应用中的适用性。

样本制备与表征

样品制备与表征

KCaBi(PO₄)₂: xPr³⁺（x = 0, 0.25, 0.5, 1, 3, 5 mol%）样品是通过固态反应技术制备的。起始材料 K₂CO₃、CaCO₃、Bi₂O₃、NH₄H₂PO₄ 和 Pr₆O₁₁ 均为纯度为 99.99% 的 A.R 级产品。按精确的化学计量比称量这些前驱体并研磨 30 分钟后，将混合物放入瓷坩埚中，在马弗炉中以 350 °C 加热 3 小时。随后将预加热的混合物重新研磨并在 850 °C 下煅烧 5 小时。

XRD 分析、Rietveld 精细处理和 FESEM 分析

记录 XRD 图谱以检测样品的相纯度。图 1 展示了合成的 KCaBi(PO₄)₂: xPr³⁺（x= 0, 0.25, 0.5, 1, 3, 5 mol%）样品的 XRD 图谱以及 JCPDS 卡片 No. 34-0109 中的标准参考图谱。为进一步确认样品的相纯度，对 XRD 数据进行了 Rietveld 精细处理（图 2(a, b)）。对基质和 0.5 mol% Pr³⁺ 样品的精细处理结果进行了可靠性因子（R_wp）评估。

结论

通过固态反应方法成功制备了 KCaBi(PO₄)₂: Pr³⁺ 磷光体。XRD 和 Rietveld 精细处理分析证实了其相形成。该磷光体在 442 nm 激发下于 604 nm 处发出红橙光，最佳掺杂浓度为 0.5 mol%。临界距离值为 45.65 ?，Dexter 理论表明偶极-偶极相互作用主导了猝灭过程。发光寿命以毫秒为单位进行测量。

CRediT 作者贡献声明

S Masilla Moses Kennedy： 负责撰写、审稿与编辑、监督工作及资源协调、实验研究。E. Muthulakshmi： 负责撰写初稿、软件应用、方法设计、数据整理及概念构思。Kavia J. Albert： 负责审稿与编辑、结果验证及正式数据分析。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者衷心感谢 Sri Sivasubramaniya Nadar 工程学院（SSN CE）为本研究提供的财务支持。作者 E. Muthulakshmi 感谢学院提供的 JRF 资助。同时感谢 SSN 研究中心提供的 PXRD、DRS 和 FESEM 实验设施。