CN108531179B - 一种铋掺杂硼酸盐蓝色荧光粉及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铋掺杂硼酸盐蓝色荧光粉，化学组成通式为Ba2Y5(1‑x)B5O17:xBi3+，其中x为摩尔分数，且0.025％≤x≤0.2％。本发明还公开了上述荧光粉的制备方法，包括以下步骤：(1)按化学组成通式分别称取含钡化合物原料、含钇化合物原料、含硼化合物原料和含铋化合物原料，研磨混合均匀；(2)将混合物在400‑600℃预烧，冷却至室温后，研磨混匀；(3)然后在1100‑1300℃煅烧，随炉冷却至室温后，研磨即得所需样品。本发明同时还公开了上述荧光粉的应用。本发明的荧光粉在紫外区有吸收，在可见区无吸收，发射在蓝光区，且激发和发射可调，能够满足近紫外激发产生蓝光发射的要求。
Description
技术领域
本发明涉及发光材料领域，特别涉及一种铋掺杂硼酸盐蓝色荧光粉及其制备方法和应用。
背景技术
随着社会的不断向前发展，人们一方面满足于科学技术带来的成果，另一方面也逐渐意识到气候变化和环境。新时代的人们不仅仅要求更快更好的发展，还坚定着可持续发展的重要理念。近年来，科学家们一直在寻找能够替代化石燃料不排放二氧化碳的新型清洁能源，包括有太阳能、风能、潮汐能、生物能等。火源的发现是人类从原始慢慢走向开化的一个重要推动力，自那时起，人类第一次能在黑夜中行走。时至今日，人类的照明光源主要经历了四代更新：白炽灯、卤素灯是第一代照明光源，但它效率低、耗电高、使用寿命短；荧光灯、电子节能灯是第二代照明光源，虽在能耗方面有一定的减少，但往往在制造使用过程中会产生汞污染；第三代照明光源是气体放电灯、高压钠灯，它们在很大程度上能避免上述问题，但其制造成本高，不适用于普通照明；发光二极管(LED)以其优越的性能——节能、高效、环保、耐用、紧凑等而备受关注，被称为第四代照明光源。目前，白光LED已广泛地应用于日常照明，以取代传统的照明光源。
荧光粉转换的白光LED(pc-WLEDs)主要有三种实现方案：(1)蓝色InGaN LED芯片和YAG：Ce黄色荧光粉；(2)紫外LED芯片和2-4种荧光粉；(3)紫外LED芯片和单一基质白光荧光粉。在这几种体系中，蓝色InGaN芯片和YAG：Ce黄色荧光粉组合的主要缺点是缺少红光，导致显色指数偏低(Ra<80)，色温偏高(Tc>7000K)，阻碍了它向更宽应用领域的发展。此外，蓝色InGaN芯片与YAG：Ce荧光粉的老化速率不同，随着LED器件工作时间的延长，其发光将逐渐偏离白光。
为了解决蓝光LED芯片和YAG荧光粉组合缺少红光的问题，国内外开始尝试采用紫外-近紫外(350-410nm)辐射的GaN芯片(UV LED)激发红绿蓝三基色荧光粉以实现白光LED。这种方案可以获得显色性高，色差小以及色温可调的白光，克服蓝光LED芯片和YAG:Ce荧光粉组合面临的问题。这种组合要求红、绿、蓝荧光粉必须在近紫外区(350-410nm)有吸收，在可见光区无吸收，并且在可见光区高效发光。在三基色荧光粉中，蓝色的主要作用在于提高光效，改善显色性，其发射波长和光谱功率分别对紧凑荧光灯的光效、色温、光衰和显色性都有较大影响。因此，开发在紫外区(特别是350-410nm)具有吸收，激发和发射光谱可调的蓝色荧光材料是发光材料领域亟待解决的重大科技问题。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种铋掺杂硼酸盐蓝色荧光粉，其在紫外区有吸收，在可见区无吸收，发射在蓝光区，且激发和发射可调，能够满足近紫外激发产生蓝光发射的要求。
本发明的另一目的在于提供上述铋掺杂硼酸盐蓝色荧光粉的制备方法。
本发明的再一目的在于提供上述铋掺杂硼酸盐蓝色荧光粉的应用。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种铋掺杂硼酸盐蓝色荧光粉，化学组成通式为Ba2Y5(1-x)B5O17:xBi3+，其中x为摩尔分数，且0.025％≤x≤0.2％。
所述的铋掺杂硼酸盐蓝色荧光粉，0.1％≤x≤0.15％。
一种铋掺杂硼酸盐蓝色荧光粉的制备方法，包括以下步骤：
(1)按化学组成通式Ba2Y5(1-x)B5O17:xBi3+，分别称取含钡化合物原料、含钇化合物原料、含硼化合物原料和含铋化合物原料，研磨混合均匀，得到混合物；
其中x为摩尔分数，且0.025％≤x≤0.2％；
(2)将混合物在400-600℃预烧，冷却至室温后，研磨混匀；
(3)然后在1100-1300℃煅烧，随炉冷却至室温后，研磨即得所需样品。
步骤(2)所述在400-600℃预烧，具体为，在400-600℃预烧4-8h。
步骤(2)所述在1100-1300℃煅烧，具体为：在1100-1300℃煅烧4-12h。
步骤(1)所述含钡化合物原料为碳酸钡或硝酸钡。
步骤(1)所述含钇化合物原料为三氧化二钇。
步骤(1)所述含硼化合物原料为硼酸或三氧化二硼。
步骤(1)所述含铋化合物原料为三氧化二铋或硝酸铋。
所述的铋掺杂硼酸盐蓝色荧光粉的应用，用于紫外-近紫外LED芯片激发的白光LED器件封装。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明的铋掺杂硼酸盐荧光粉激发带比较宽，在250-400nm范围内具有强吸收；主吸收峰有三个，中心分别为～275nm、～337nm、～370nm，并且最强吸收峰位于近紫外区(370nm-400nm)；
(2)本发明的铋掺杂硼酸盐荧光粉在近紫外光激发下发蓝光，发光在400-500nm范围之内，中心位于～410nm；
(3)本发明的铋掺杂硼酸盐荧光粉掺杂浓度低但发光效率高，节约原料，生产成本低；
(4)本发明的铋掺杂硼酸盐荧光粉可应用于紫外-近紫外LED芯片激发的白光LED器件封装；
(5)本发明的铋掺杂硼酸盐荧光粉结构稳定，合成方法简单，便于规模化生产。
附图说明
图1为实施例1的配比(1)-(6)样品的X射线粉末衍射图谱。
图2为实施例1的配比(1)-(6)样品的发射光谱，激发波长370nm。
图3为实施例1的配比(1)-(6)样品的激发光谱，监测波长410nm。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
选取碳酸钡、三氧化二钇、硼酸、三氧化二铋作为起始化合物原料，按各元素化学计量比，分别称取四种化合物原料，共6组，配比如下：
(1)Ba:Y:B:Bi＝2:4.99975:5:0.00025，对应x＝0.025％；
(2)Ba:Y:B:Bi＝2:4.9995:5:0.0005，对应x＝0.05％；
(3)Ba:Y:B:Bi＝2:4.99925:5:0.00075，对应x＝0.075％；
(4)Ba:Y:B:Bi＝2:4.999:5:0.001，对应x＝0.1％；
(5)Ba:Y:B:Bi＝2:4.9985:5:0.0015，对应x＝0.15％；
(6)Ba:Y:B:Bi＝2:4.998:5:0.002，对应x＝0.2％；
混合物经研磨混合均匀后，装入刚玉坩埚；将刚玉坩埚置于刚玉舟中，放入高温箱式电炉。严格控制升温速率，在450℃预烧4h。冷却至室温，研磨混匀；然后在1200℃煅烧8h，随炉冷却至室温后，研磨即得目标荧光粉，即可由近紫外激发的铋掺杂硼酸盐蓝色荧光材料。
图1为本实施例的配比(1)-(6)样品的X射线粉末衍射图谱。采用德国布鲁克公司(Bruker)D8 ADVANCE型X射线粉末衍射仪测定。辐射源为Cu靶Kα射线
测试电压40kV，测试电流40mA，扫描步长0.02°/step，扫描速度：0.12s/step。XRD图谱分析表明均为Ba2Y5B5O12相，属于正交晶系，铋的掺杂没有引入其它物相或杂质。
图2为本实施例的配比(1)-(6)样品的发射光谱，激发波长为370nm。采用英国爱丁堡公司(Edinburgh)FLS920型稳态瞬间荧光光谱仪测定。以450W的氙灯为激发光源，配备时间校正单光子计数卡(TCSPC)、热电冷红敏光电倍增管(PMT)、TM300激发单色器和双TM300发射单色器。由图2可知，在370nm紫外光激发下，样品皆可产生中心位于～410nm的蓝色发光，波长覆盖400-500nm，对应Bi3+的3P1→1S0跃迁。并且随着Bi3+的掺杂浓度的变化，发射峰强度产生明显的变化。
图3为本实施例的配比(1)-(6)样品的激发光谱，监测波长为410nm。测试条件与图2相同。
实施例2
选取碳酸钡、三氧化二钇、硼酸、硝酸铋作为起始化合物原料，按各元素摩尔配比Ba:Y:B:Bi＝2:4.999:5:0.01，对应x＝0.1％；分别称取四种化合物原料，混合物经研磨混合均匀后，装入刚玉坩埚，将坩埚置于刚玉舟中，放入高温箱式电炉。严格控制升温速率，在500℃预烧6h。冷却至室温，研磨混匀；然后在1250℃煅烧12h，随炉冷却至室温后，研磨即得铋掺杂硼酸盐蓝色荧光材料。XRD图谱分析表明其为Ba2Y5B5O17晶相。荧光粉的光谱性质同实施例1类似。
实施例3
选取碳酸钡、三氧化二钇、硼酸、硝酸铋作为起始化合物原料，按各元素摩尔配比Ba:Y:B:Bi＝2:4.9985:5:0.0015，对应x＝0.15％；分别称取四种化合物原料，混合物经研磨混合均匀后，装入刚玉坩埚，将坩埚置于刚玉舟中，放入高温箱式电炉。严格控制升温速率，在450℃预烧8h。冷却至室温，研磨混匀；然后在1300℃煅烧8h，随炉冷却至室温后，研磨即得铋掺杂硼酸盐蓝色荧光材料。XRD图谱分析表明其为Ba2Y5B5O17晶相。荧光粉的光谱性质同实施例1类似。
实施例4
选取碳酸钡、三氧化二钇、三氧化二硼、三氧化二铋作为起始化合物原料，按各元素摩尔配比Ba:Y:B:Bi＝2:4.999:5:0.001，对应x＝0.1％；分别称取四种化合物原料，混合物经研磨混合均匀后，装入刚玉坩埚，将坩埚置于刚玉舟中，放入高温箱式电炉。严格控制升温速率，在400℃预烧12h。冷却至室温，研磨混匀；然后在1200℃煅烧12h，随炉冷却至室温后，研磨即得铋掺杂硼酸盐蓝色荧光材料。XRD图谱分析表明其为Ba2Y5B5O17晶相。荧光粉的光谱性质同实施例1类似。
实施例5
选取硝酸钡、三氧化二钇、硼酸、三氧化二铋作为起始化合物原料，按各元素摩尔配比Ba:Y:B:Bi＝2:4.9985:5:0.0015，对应x＝0.15％；分别称取四种化合物原料，混合物经研磨混合均匀后，装入刚玉坩埚，将坩埚置于刚玉舟中，放入高温箱式电炉。严格控制升温速率，在600℃预烧4h。冷却至室温，研磨混匀；然后在1200℃煅烧8h，随炉冷却至室温后，研磨即得铋掺杂硼酸盐蓝色荧光材料。XRD图谱分析表明其为Ba2Y5B5O17晶相。荧光粉的光谱性质同实施例1类似。
实施例6
选取硝酸钡、三氧化二钇、硼酸、硝酸铋作为起始化合物原料，按各元素摩尔配比Ba:Y:B:Bi＝2:4.999:5:0.001，对应x＝0.1％；分别称取四种化合物原料，混合物经研磨混合均匀后，装入刚玉坩埚，将坩埚置于刚玉舟中，放入高温箱式电炉。严格控制升温速率，在600℃预烧8h。冷却至室温，研磨混匀；然后在1200℃煅烧10h，随炉冷却至室温后，研磨即得铋掺杂钨硼酸盐黄色荧光材料。XRD图谱分析表明其为Ba2Y5B5O17晶相。荧光粉的光谱性质同实施例1类似。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种铋掺杂硼酸盐蓝色荧光粉，其特征在于，化学组成通式为Ba2Y5(1-x)B5O17:xBi3+，其中x为摩尔分数，且0.025％≤x≤0.2％。
2.根据权利要求1所述的铋掺杂硼酸盐蓝色荧光粉，其特征在于，0.1％≤x≤0.15％。
3.一种铋掺杂硼酸盐蓝色荧光粉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按化学组成通式Ba2Y5(1-x)B5O17:xBi3+，分别称取含钡化合物原料、含钇化合物原料、含硼化合物原料和含铋化合物原料，研磨混合均匀，得到混合物；
其中x为摩尔分数，且0.025％≤x≤0.2％；
(2)将混合物在400-600℃预烧，冷却至室温后，研磨混匀；
(3)然后在1100-1300℃煅烧，随炉冷却至室温后，研磨即得所需样品。
4.根据权利要求3所述的铋掺杂硼酸盐蓝色荧光粉的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述在400-600℃预烧，具体为，在400-600℃预烧4-8h。
5.根据权利要求3所述的铋掺杂硼酸盐蓝色荧光粉的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述在1100-1300℃煅烧，具体为：在1100-1300℃煅烧4-12h。
6.根据权利要求3所述的铋掺杂硼酸盐蓝色荧光粉的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述含钡化合物原料为碳酸钡或硝酸钡。
7.根据权利要求3所述的铋掺杂硼酸盐蓝色荧光粉的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述含钇化合物原料为三氧化二钇。
8.根据权利要求3所述的铋掺杂硼酸盐蓝色荧光粉的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述含硼化合物原料为硼酸或三氧化二硼。
9.根据权利要求3所述的铋掺杂硼酸盐蓝色荧光粉的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述含铋化合物原料为三氧化二铋或硝酸铋。
10.权利要求1所述的铋掺杂硼酸盐蓝色荧光粉的应用，用于紫外-近紫外LED芯片激发的白光LED器件封装。
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