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铽离子激活正硅酸锶基质荧光粉的制备工艺与发光性能优化研究

一、引言

1.1研究背景与意义

荧光粉作为一种能够将激发能量转化为可见光的重要材料，在现代照明、显示等领域发挥着关键作用。在照明领域，荧光粉是荧光灯、白光发光二极管（LED）等照明设备的核心组成部分。例如，荧光灯通过汞蒸气放电产生紫外线，激发荧光粉发出可见光，实现照明功能；白光LED则主要通过蓝光芯片激发黄色荧光粉，或者紫外/近紫外芯片激发红、绿、蓝三基色荧光粉来实现白光发射，其具有高效节能、长寿命、环保等优点，正逐步取代传统的白炽灯和荧光灯，成为主流的照明光源。在显示领域，荧光粉广泛应用于液晶显示器（LCD）的背光源、等离子体显示器（PDP）以及新兴的量子点显示器等。在LCD中，荧光粉将背光源发出的光转换为白光，为液晶面板提供均匀的照明；在PDP中，荧光粉在等离子体激发下发出红、绿、蓝三基色光，通过混合实现彩色显示。随着显示技术的不断发展，对荧光粉的发光性能、色彩饱和度、稳定性等提出了更高的要求。

正硅酸锶（Sr?SiO?）基质荧光粉因其具有良好的化学稳定性、热稳定性以及合适的能带结构等优势，成为了荧光粉领域的研究热点之一。Sr?SiO?基质能够为激活离子提供稳定的晶格环境，有利于激活离子的发光。而且，通过对Sr?SiO?基质进行适当的掺杂和改性，可以有效地调控荧光粉的发光颜色和发光效率，使其满足不同应用场景的需求。例如，在白光LED应用中，通过合理选择激活离子和掺杂浓度，可以使Sr?SiO?基质荧光粉发出的光与其他颜色的荧光粉相匹配，实现高显色指数、低色温的白光发射，提高照明质量。

铽（Tb3?）离子作为一种重要的稀土激活离子，具有独特的电子结构和丰富的能级跃迁。Tb3?离子在可见光区域有多个特征发射峰，主要对应于?D?→?FJ（J=6,5,4,3）的跃迁，其中以549nm左右的绿色发光最强。将Tb3?离子引入到正硅酸锶基质中，可以制备出具有高效绿色发光性能的荧光粉。这种荧光粉在照明领域可作为绿色发光组分，用于制备白光LED，提高白光的显色指数和色彩饱和度；在显示领域，可应用于彩色显示技术，为实现高分辨率、高色彩还原度的显示提供可能。研究铽离子激活的正硅酸锶基质荧光粉，对于开发新型、高性能的荧光粉材料，推动照明和显示技术的发展具有重要的理论和实际意义。

1.2国内外研究现状

国内外学者对正硅酸锶基质荧光粉及铽离子激活相关体系进行了广泛而深入的研究。在正硅酸锶基质荧光粉的研究方面，早期主要集中在其合成方法和基本发光性质的探索。传统的高温固相法是制备正硅酸锶基质荧光粉的常用方法之一，通过将锶源、硅源等原料按一定比例混合，在高温下进行固相反应，可获得结晶良好的荧光粉。但该方法存在反应温度高、时间长、颗粒尺寸不均匀等缺点。为了克服这些问题，近年来发展了多种新型合成方法，如溶胶-凝胶法、共沉淀法、水热法等。溶胶-凝胶法能够在较低温度下合成荧光粉，且所得产物具有纯度高、颗粒均匀、化学组成可控等优点；共沉淀法通过控制沉淀条件，可制备出粒径小、分散性好的荧光粉前驱体，经过后续热处理得到性能优良的荧光粉；水热法在密闭的高压反应釜中进行，能够提供特殊的反应环境，有利于合成具有特殊形貌和结构的荧光粉。

对于铽离子激活的正硅酸锶基质荧光粉，研究主要围绕其发光性能的优化和发光机理的探讨。通过调整Tb3?离子的掺杂浓度，研究发现当掺杂浓度在一定范围内时，荧光粉的发光强度随着掺杂浓度的增加而增强，但当掺杂浓度过高时，会出现浓度猝灭现象，导致发光强度下降。为了提高荧光粉的发光效率，研究人员还尝试引入其他辅助激活离子或共激活剂，如Ce3?、Eu2?等。研究表明，Ce3?和Tb3?之间存在有效的能量传递，能够增强Tb3?的发光强度。在发光机理方面，主要基于晶体场理论和能级跃迁理论来解释荧光粉的激发和发射过程。通过分析荧光粉的激发光谱、发射光谱以及荧光寿命等参数，深入研究了Tb3?离子在正硅酸锶基质中的能级结构和能量传递过程。

然而，当前研究仍存在一些不足与空白。在合成方法上，虽然新型合成方法不断涌现，但部分方法存在工艺复杂、成本较高等问题，限制了其大规模工业化生产。在发光性能方面，虽然通过各种手段对荧光粉的发光强度和颜色进行了调控，但在提高荧光粉的稳定性和抗老化性能方面的研究还相对较少。此外，对于铽离子激活的正硅酸锶基质荧光粉在一些新兴应用领域，如生物成像、光电器件等方面的研究还处于起步阶段，需要进一步深入探索。

1.3研究内容与方法

本文采用高温固相法制备铽离子激活的正硅酸锶基质荧光粉。高温固相法具有工艺简单、易于操作、适合大规模生产等优点。具体实验过程中，将按照化学计量比准确称取锶源（如碳酸锶）、硅源（如二氧化硅）以及激活剂