Mn离子激活的植物照明用荧光粉的研究进展.pdf
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1、第4 9卷 第3期2 0 2 3年9月延 边 大 学 学 报(自然科学版)J o u r n a l o f Y a n b i a n U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n)V o l.4 9 N o.3S e p.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 2 0 8 2 3基金项目:吉林省教育厅“十三五”科学技术项目(J J KH 2 0 1 8 0 8 9 3 K J)第一作者:王启予(1 9 9 8),女,硕士研究生,研究方向为发光学.通信作者:田莲花(1 9 7 2),女,博士,教授,研究方向为发光学.文
2、章编号:1 0 0 4-4 3 5 3(2 0 2 3)0 3-0 2 6 8-0 7M n离子激活的植物照明用荧光粉的研究进展王启予,田莲花(延边大学 理学院,吉林 延吉 1 3 3 0 0 2)摘要:由于M n离子的发射光谱可与植物光敏色素的吸收光谱重叠,因此其可被应用于植物照明领域中.但由于M n离子的发射光强度较低,使得其在实际应用中受到很大限制;因此,加强掺杂M n离子材料的吸收能力对提高其在植物照明领域中的应用具有重要意义.为此,对近年来掺杂M n4+离子和M n2+离子荧光粉的发光特性的相关文献进行了综述,以期为研究具有优良特性的新型植物照明用荧光粉提供参考.关键词:M n4+;
3、M n2+;荧光粉;植物照明;发射光谱;电荷补偿剂中图分类号:O 4 3 3.5 文献标志码:AR e s e a r c h p r o g r e s s i n i m p r o v i n g l u m i n e s c e n c e i n t e n s i t y w i t h M n i o n a c t i v a t e d p h o s p h o r s f o r p l a n t-l i g h t i n gWANG Q i y u,T I AN L i a n h u a(C o l l e g e o f S c i e n c e,Y a n
4、 b i a n U n i v e r s i t y,Y a n j i 1 3 3 0 0 2,C h i n a)A b s t r a c t:S i n c e t h e e m i s s i o n s p e c t r u m o f M n i o n o v e r l a p s w i t h t h e a b s o r p t i o n s p e c t r u m o f p h y t o c h r o m e,i t c a n b e a p p l i e d i n t h e f i e l d o f p l a n t-l i g h
5、 t i n g.H o w e v e r,d u e t o t h e l o w e m i s s i o n i n t e n s i t y o f M n i o n,i t s p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n i s g r e a t l y l i m i t e d.T h e r e f o r e,i t i s o f g r e a t s i g n i f i c a n c e t o e n h a n c e t h e a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f M
6、 n-d o p e d m a t e r i a l s f o r t h e i r a p p l i c a t i o n i n p l a n t-l i g h t i n g.I n t h i s p a p e r,t h e l u m i n e s c e n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f M n4+a n d M n2+d o p e d p h o s p h o r s w e r e r e v i e w e d i n o r d e r t o p r o v i d e r e f e r e n c
7、 e f o r t h e s t u d y o f n e w p h o s p h o r s f o r p l a n t-l i g h t i n g w i t h e x c e l l e n t p r o p e r t i e s.K e y w o r d s:M n4+;M n2+;p h o s p h o r s;p l a n t-l i g h t i n g;e m i s s i o n s p e c t r u m;c h a r g e c o m p e n s a t i n g a g e n t0 引言光作为光合作用的重要能源,是动植
8、物及真菌、藻类等生物生长发育不可缺少的因素1.研究显示,光中的蓝光(4 0 05 0 0n m)、远红光(6 0 07 0 0n m)和近红外光(7 0 08 0 0n m)的辐射波长与植物的特征吸收重叠,因此通过调整这些光照可调控植物的生长发育2.在目前的植物照明设备中,发光二极管(L E D)因其具有发光颜色可控、功耗低、辐射热低、环境友好等优点成为植物栽培的主要人工光源3.在红色发光荧光粉中,目前常用的激活离子有E u2+、E u3+、C e3+、P r3+和S m3+等稀土离子,但由于稀土离子价格昂贵,且以稀土离子作为激活剂时荧光粉中含有的氯化物、氮化物、柠檬酸盐等物质具有毒性,因此这
9、类荧光粉在实际应用中受到一定的限制.M n离子作为过渡金属离子,因其能够产生具有 第3期王启予,等:M n离子激活的植物照明用荧光粉的研究进展高量子效率的亮红色发射4和多种价态的离子(M n7+、M n5+、M n4+、M n3+、M n2+等)而受到学者们的关注5-9,其中M n2+和M n4+目前已被作为激活离子应用于植物照明用荧光粉的发光中心1 0-1 1.但是,大多数由M n离子掺杂的荧光粉材料在蓝光区的吸收较弱,甚至难以观察到其吸收峰,因此使得M n离子在实际应用中受到较大限制;所以,研究增强掺M n离子材料的吸收能力和提高其发光强度具有重要意义.为此,本文对近年来有关掺杂M n4+
10、和M n2+离子的植物照明用荧光粉的文献进行了综述,以为进一步研究掺M n离子荧光粉的实际应用提供参考.1 M n离子掺杂的荧光粉及其发光特性1.1 M n4+激活的荧光粉及其发光性质 图1 M n4+掺杂的主体晶体的T a n a b e-S u g a n o图M n4+的电子构型为3d3.研究显示,M n4+通常在八面体配位环境中存在,且当其占据八面体中心或扭曲八面体中心环境时才可以稳定存在.图1为M n4+掺杂的主体晶体的T a n a b e-S u g a n o能级图1 2-1 4.由图1可知,荧光粉的深红或远红发射是由M n4+的2Eg4A2 g跃迁形成的1 5-1 8.研究显
11、示,在C a2I n S b O6:M n4+1 9、C a A l1 1.9P0.1O1 9.1:M n4+2 0、S r2Y S b O6:M n4+2 1荧光粉中,M n4+通过取代基质中的三价阳离子不仅能够使基质的电荷失衡,还会使主体晶体出现晶格缺陷.在上述荧光粉样品中共掺杂一定浓度的M g2+、A l3+、C a2+、K+、L i+、N a+等电荷补偿离子后,不但可以显著提高荧光粉样品的发光强度(见表1)和保持发射光谱的形状,而且还可延长衰减时间.其原因是:电荷补偿离子进入基质晶格后,其与M n4+可形成离子对.组成的离子对可有效替代原晶格中的三价离子对2 2,进而不仅可使主体晶体的
12、电荷达到平衡,还可减少晶体中的晶格缺陷;因此,加入一定浓度的电荷补偿离子可降低M n4+离子2Eg能级的非辐射能量传递2 3-2 5.表1 掺杂电荷补偿剂的氧化物荧光粉(激活离子为M n4+)荧光粉样品M n4+取代的离子电荷补偿离子强度比/%参考文献C a2I n S b O6:M n4+S b3+L i+/R b+1 5 1/1 2 51 9C a A l1 1.9P0.1O1 9.1:M n4+A l3+L i+/N a+/K+2 0 5/2 5 5/1 8 72 0S r2Y S b O6:M n4+S b5+L i+1 6 82 1C a2G d T a O6:M n4+T a5+M
13、 g2+/L i+/N a+/K+1 3 4/1 3 1/1 2 0/1 4 42 6S r2Y T a O6:M n4+T a5+M g2+/C a2+/N a+/L i+3 0 0/1 4 7/1 2 7/2 0 02 7Y3A l5O1 2:M n4+A l3+M g2+/B e2+/S r2+/B a2+1 0 1 4/4 5 0/2 2 1/3 5 02 8C a A l1 2O1 9:M n4+A l3+M g2+,B i3+2 5 02 9C a3A l4Z n O1 0:M n4+A l3+M g2+1 8 23 0L a A l O3:M n4+,B i3+A l3+C a2
14、+2 1 83 1B a L a M g T a O6:M n4+,B i3+T a5+C a2+2 0 13 2S r3L i S b O6:M n4+S b5+C a2+1 6 03 3Z n T i O3:E u3+,M n4+Z n2+A l3+1 6 43 4N a L a M g WO6:M n4+W6+A l3+1 7 73 5研究显示,通过加入助熔剂也可提高荧光粉样品的发光强度.其原因是:高温会降低荧光粉样品的发光效率和稳定性(因球磨会使荧光粉样品的颗粒形状变得不规则,且还会损伤晶体的结构),而加入助熔剂可使实验原料在低温下即可熔化成液相,同时也可使助熔剂快速进入到结晶位点,进
15、而提高样品的结晶度.研究显示:在C a A l1 2O1 9:M n4+2 9、B a2L a S b O6:M n4+3 6和B a2Y T a O6:M n4+3 7等荧光粉中添962延边大学学报(自然科学版)第4 9卷 加适量的H3B O3(熔点约为1 6 9)可显著提高荧光粉的发光强度(见表2),但H3B O3过量会使荧光粉产生晶格畸变,从而降低荧光粉的发射强度.例如:在L i2M g3T i O6:M n4+3 8、B a2Y T a O6:M n4+3 7和L a2M g T i O6:M n4+3 9等荧光粉中,加入L i F或L i C l(熔点分别约为8 4 8和6 3 0)
16、不仅可使荧光粉的粒径变得更加均匀和光滑,而且L i+离子还可在上述荧光粉起到补偿电荷的作用(见表2).但由于L i F和L i C l的价格远高于H3B O3的价格,且具有腐蚀性,因此目前常用的助熔剂为H3B O3.表2 掺杂助熔剂的氧化物荧光粉(激活离子为M n4+)荧光粉样品助熔剂强度比/%参考文献 C a A l1 2O1 9:M n4+H3B O32 5 02 9 B a2L a S b O6:M n4+D y3+/H3B O31 2 9/1 2 13 6 L i2M g3T i O6:M n4+L i F1 6 73 8 B a2Y T a O6:M n4+H3B O3/L i F4
17、 2 0/6 1 03 7 L a2M g T i O6:M n4+L i C l-3 91.2 M n2+激活的荧光粉及其发光性质 图2 M n2+掺杂的主体晶体的T a n a b e-S u g a n o图M n2+的电子构型为3d5.研究显示,当M n2+的配位数为4时,其发射光谱通常为绿色发射或黄色发射;当M n2+的配位数为79时,其发射光谱通常在黄色发射和红色发射的区间内4 0.图2为M n2+掺杂的主体晶体的T a n a b e-S u g a n o能级图.由图2可以看出:M n2+易于产生4T1 g(4G)6A1 g(6S)跃迁或4T1 g(4G)2T2 g(2 I)跃
18、迁,因此掺杂M n2+的荧光粉会产生不同颜色的发射.C e3+和M n2+的能量传递过程如图3所示:在紫外光的激发下,电子从2F5/2基态激发到C e3+的5d激发态,并将能量非辐射性地弛豫到5d激发态中的最低激发态.其中:一部分能量通过辐射跃迁从最低激发态跃迁到2F7/2和2F5/2能级,因此C e3+在3 6 05 7 5n m波长范围内的发射光为蓝光.另一部分能量通过非辐射弛豫传递给M n2+的4E(4D)能级,并将能量非辐射性地弛豫到4T1(4G)能级;然后能量再从4T1(4G)能级向6A1(6S)能级进行辐射跃迁,因此M n2+在5 7 58 0 0n m波长范围内的发射光为弱红光.
19、目前,利用上述原理制备的荧光粉样品有N a4C a S i3O9:M n2+,C e3+4 0、C a3Y(G a O)3(B O3)4:C e3+,M n2+,T b3+4 1、C a3A l2G e3O1 2:M n2+,C e3+4 2、M2B a M g S i2O8:M n2+,C e3+4 3、L a P O4:M n2+,C e3+4 4、N a3Y S i3O9:M n2+,C e3+4 5、M g Y2A l4S i O1 2:M n2+,C e3+4 6等.研究显示,由于E u2+的5d激发态和M n2+的4T1激发态之间的能级值相似,因此E u2+和M n2+之间也能够发
20、生能量传递.如图4所示:当E u2+被激发时,电子首先从4f基态被激发到5d激发态,然后再被非辐射性地弛豫到5d激发态中的最低激发态,其中一部分能量通过辐射过程自发地回到基态,另一部分能量转移到了M n2+的4T2 g(4G)激发态.研究还显示,E u2+掺入到基质时可使晶体产生缺陷,并由此可大大增强荧光粉的热稳定性4 7(其原因是升温可使陷阱中的能量获释并形成复合发光).目前,利用上述原理制备的荧光粉样品有N a2M g2S i6O1 5:E u2+,M n2+4 7、C a8Z n L u(P O4)7:M n2+,E u2+4 8、(B a0.9S r0.1)9L u2S i6O2 4:
21、M n2+,E u2+4 9、C a1 9Z n2(P O4)1 4:M n2+,E u2+5 0等.除了C e3+、E u2+可以显著增强M n2+在晶体中的发光强度外,其他一些离子也可以作为敏化剂与M n2+共 掺,如N a S r B5O9:M n2+,D y3+5 1、C a Z n O S:M n2+,P r3+5 2、B a9L a2S i6O2 4:M n2+,B i3+5 3、S r Z n2(P O4)2:M n2+,N d3+5 4、S r M g G e2O6:M n2+,S m3+5 5等.上述文献的相关研究成果见表3.072 第3期王启予,等:M n离子激活的植物照明
22、用荧光粉的研究进展图3 C e3+和M n2+的能级示意图及其能量传递过程图4 E u2+和M n2+的能级示意图及其能量传递过程表3 掺杂敏化剂的氧化物荧光粉(激活离子为M n2+)荧光粉样品敏化离子能量传递效率/%参考文献C a3A l2G e3O1 2:M n2+C e3+8 8.0 04 2M2B a M g S i2O8:M n2+C e3+-4 3L a P O4:M n2+C e3+0.8 34 4N a3Y S i3O9:M n2+C e3+9 1.9 04 5M g Y2A l4S i O1 2:M n2+C e3+-4 6N a2M g2S i6O1 5:M n2+E u2
23、+-4 7C a8Z n L u(P O4)7:M n2+E u2+6 5.5 54 8荧光粉样品敏化离子能量传递效率/%参考文献(B a0.9S r0.1)9L u2S i6O2 4:M n2+E u2+5 6.7 04 9C a1 9Z n2(P O4)1 4:M n2+E u2+8 9.3 05 0N a S r B5O9:M n2+D y3+-5 1C a Z n O S:M n2+P r3+-5 2B a9L a2S i6O2 4:M n2+B i3+6 3.1 05 3S r Z n2(P O4)2:M n2+N d3+-5 4S r M g G e2O6:M n2+S m3+-5
24、 51.3 M n2+/M n4+共存的荧光粉及其发光性质目前,在荧光粉中实现M n4+与M n2+共存的方法主要有两个.一是采用晶体工程方法(c r y s t a l-s i t e e n g i n e e r i n g a p p r o a c h),即通过掺杂其他离子调控晶体中的特殊配位环境,使M n离子进入不同晶体位点,从而控制M n离子的氧化状态5 6-5 7.例如在对M gxB2O4(B=A l,G a;x=0.8,1.0,1.5)的研究中5 8,学者们利用晶体工程方法成功地实现了M n2+和M n4+共存.其研究显示:当M g O的掺杂量(x=0.8)较少时,M n2+
25、更倾向于占据四面体的A位,以补偿M g2+的不足;同时,过量的B离子(B=A l,G a)也会抑制M n4+对B位的替代,所以掺杂少量镁的荧光粉样品中只显示M n2+的特征发射(绿色发射).当M g O的掺杂量(x=1.5)过量时,M n4+倾向于占据八面体的B位(以平衡B位离子的缺乏);同时,过量的M g2+(在四面体A位)会抑制M n2+的取代.其原因是M g2+可对M n4+起到补偿电荷的作用(B位的离子对(A l3+-A l3+或G a3+-G a3+)被M n4+-M g2+取代),所以掺杂过量镁的荧光粉样品中只显示M n4+的特征发射(红色发射)5 9-6 6.二是通过制备多相荧光
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