关于Judd-Ofelt参数及掺Sm3+的铝酸盐荧光体温度传感特性的分析探讨

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Analytical disquisition on the Judd-Ofelt parameters and the temperature sensing properties of Sm3+ doped aluminate phosphors

　　

R. Kiran | K. Akshay Kumar | S. Masilla Moses Kennedy | A. Princy | Sudha D. Kamath

印度卡纳塔克邦马尼帕尔，马尼帕尔高等教育学院，马尼帕尔理工学院

摘要

在本研究中，通过固相反应技术合成了掺杂了Sm³⁺（浓度为0.5、1.0、1.5、2.0和2.5 mol%）的SrAl₂O₄荧光体，并利用发射光谱数据评估了Judd-Ofelt (JO) 参数。结合Rietveld精修的结构分析确认了基体晶格的纯度，仅存在微量次要相。光学研究显示发射强度强烈依赖于Sm³⁺的浓度，在1.5 mol%时观察到最佳的发光性能。相应的色度坐标表明其发光位于浅红橙区域。此外，在401 nm紫外光激发下，系统研究了优化后的荧光体的温度依赖性发光（TDPL）特性，研究温度范围为273–498 K。发射强度表现出异常的热行为，这归因于晶格缺陷的存在。优化后的样品在室温下的发光强度保留了90.29%，激活能为0.18 eV。为了评估其热测量性能，使用二阶和三阶多项式拟合模型分析了荧光强度比。最大绝对灵敏度分别为0.0004 K^?1和0.0003 K^{?1?1和0.066% K?1}

引言

新型材料在许多技术中发挥着关键作用，应用范围包括高能辐射探测器、显示面板、荧光灯、发光二极管（LED）和生物医学仪器[1]。特别是，磷光转换白光LED（pc-WLED）由于其出色的光度性能而受到广泛关注，这些性能包括延长的寿命、更高的效率、更高的发光强度、出色的图像呈现能力以及较低的环境影响[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。在各种荧光体基体中，锶铝酸盐因其良好的机械稳定性、热稳定性和高化学抗性而被认为是稀土元素（RE）掺杂的理想基体[7]。虽然锶铝酸盐有多种不同的相，但SrAl₂O₄、Sr₄Al₁₄O₂₅、Sr₃Al₂O₆和SrAl₁₂O₁₉是研究最多的[8]。在上述铝酸盐中，我们选择了SrAl₂O₄作为荧光体基体。它是一种淡黄色、无味且不可燃的固体，呈粉末状。它在典型环境条件下具有化学和生物稳定性，因此呈惰性。当掺入适宜的稀土离子后，SrAl₂O₄可作为高效的荧光材料，展现出持久的 Photoluminescence (PL) [9]。之前关于SrAl₂O₄基体的研究包括SrAl₂O₄:Eu²⁺ [10]、SrAl₂O₄:Eu²⁺, Dy³⁺ [11]、SrAl₂O₄:Pr³⁺ [12]、SrAl₂O₄:Eu²⁺, Nd³⁺ [13]、SrAl₂O₄:Eu²⁺, Dy³⁺ [14]、[15]、[16]、[17]、SrAl₂O₄:Eu²⁺, Nd³⁺ [18] 和 SrAl₂O₄:Eu³⁺, Er³⁺ [19]。在各种稀土激活剂中，三价钐（Sm³⁺）由于其4f⁵电子构型，被认为是一种有效的发光中心，能够发出强烈的橙色至红色光，主要由于从⁴G_{5/2能级到⁶HJ（J = 5/2, 7/2, 9/2, 11/2）能级的跃迁[20]。此外，Sm³⁺荧光体的激发带通常位于紫外到近紫外光谱区域，与基于GaN的LED的发射光谱有很好的重叠[21]、[22]。这种光谱兼容性对于开发新型红/橙色发光荧光体以集成到白光LED中非常有利。因此，开发和探索新的Sm³⁺激活的红橙色荧光体材料对推进照明技术具有重大潜力。}

在本研究中，通过固相反应路线制备了掺杂了Sm³⁺的SrAl₂O₄荧光体。对类似荧光体系统的先前研究（包括Tang等人、Jamalaiah等人、Tabrizi等人和Ahalya等人的研究）的调查显示，诸如热稳定性和温度依赖性光致发光（TDPL）特性等关键方面仍很大程度上未得到探索[23]、[24]、[25]、[26]。此外，这些早期研究没有包含Judd-Ofelt (JO)理论分析。为了解决这些知识空白，本研究对SrAl₂O₄:Sm³⁺进行了广泛的评估，包括结构表征、热重分析和深入的TDPL测量。这些研究旨在确定该荧光体在非接触式温度测量应用中的适用性。

部分摘录

材料制备

通过固相反应技术合成了掺杂了Sm³⁺（浓度为0.5、1.0、1.5、2.0和2.5 mol%）的SrAl₂O₄荧光体。合成过程如图1所示，包括以下步骤：

表征技术

首先，使用JASCO FP-800荧光光谱仪对荧光体样品进行了激发和发射测量。材料的晶体结构和纯度通过Rigaku Miniflex 600衍射仪进行了确认

PL激发光谱

图2展示了在600 nm激发下，SrAl₂O₄: xSm³⁺（x = 1.5 mol%）荧光体在300–510 nm范围内发射的PL激发光谱。观察到多个明确的激发带，这些带归因于Sm³⁺的4f电子跃迁。观察到的峰分别位于306 nm（⁶H_5/2 → ⁴P_{5/2）、316 nm（⁶H5/2 → ⁴G11/2）、345 nm（⁶H5/2 → ⁴H9/2）、361 nm（⁶H5/2 → ⁴D5/2）、375 nm（⁶H5/2 → ⁴D7/2）、401 nm（⁶H5/2 → ⁶P3/2）、417 nm（⁶H5/2 → ⁴M19/2）、426 nm（⁶H5/2 → ⁴I15/2）、460 nm（⁶H5/2}

照明应用

进一步使用CIE 1931色度坐标系统评估了荧光体的发射特性。如图11所示，不同掺杂浓度（0.5、1.0、1.5、2.0和2.5 mol%）的SrAl₂O₄: Sm³⁺荧光体的色度坐标（x_p, y_p）被绘制在CIE图上，提供了颜色的二维图形表示[86]。这些坐标一致位于浅红橙区域，并在表3中进行了总结。

结论

总之，成功合成了Sm³⁺激活的SrAl₂O₄荧光体，表现出有希望的结构、光学和热测量性能。Rietveld精修确认了其纯度，仅有少量次要相（约8.13%）。1.5 mol%的Sm³⁺在562、600和646 nm处显示出最大的发射强度，分别对应特征性的红橙色发光。JO分析揭示了Ω₂（2.27×10^?20 cm^{2和2.07×10?20 cm2），表明Sm3+离子具有非中心对称的配位。该荧光体}

CRediT作者贡献声明

R. Kiran：撰写 – 原初草稿、可视化、验证、监督、软件、方法论、资金获取、正式分析、数据管理、概念构思。K. Akshay Kumar：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原初草稿、验证、方法论、研究、正式分析、数据管理、概念构思。S. Masilla Moses Kennedy：可视化、验证、软件、资源管理。A. Princy：验证、软件、资源管理。Sudha D. Kamath：验证、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报道工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢印度马尼帕尔高等教育学院的财政支持。