新型綠色熒光粉CeO2：Mn(Ⅱ)的發光性能研究

劉 凱，李孝斌，吳銳敏，徐 慢，戴武斌

武漢工程大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430205

氧化鈰，化學式為CeO2，屬于立方晶系螢石型結構，常溫常壓下性質穩定，不溶于水和堿，微溶于熱稀酸［1-3］。鈰（Ce）在地殼中豐度較高（占稀土含量的28%），Ce 的氧化物CeO2易提取分離，是一種價格便宜（純度99.99%的CeO2售價約0.3 元/g）且應用廣泛的功能材料［3］。Ce 原子特殊的核外電子排布［Xe］4f15d16s2使其具備較強的自氧化還原性［4］，晶格中Ce4+和Ce3+相互轉換產生的結構氧空位缺陷使CeO2中存在相當含量的Ce3+（占CeO2基體的量濃度約8.2%）［5］。正因為這個獨特性質，CeO2在固體電解質［6］、紫外吸收［7］、催化［8］等領域有成熟應用。而CeO2自身較強的紫外吸收和低聲子頻率能夠很好地滿足發光材料特性，近年來受到光學領域科研工作者們的廣泛關注。

目前，大部分包含Ce 的發光材料主要是利用Ce3+強而寬的4f-5d 激活帶作熒光粉的敏化劑或激活劑［9］。相較于其他金屬氧化物，性能優良的CeO2發光材料在電解質、催化、能源等領域具有廣闊的應用前景，但使用CeO2功能材料作發光材料主晶格的研究卻十分有限。Yoshida 等［10］摻雜Sm3+離子的CeO2橙紅色熒光粉（350 nm 激發，574、617、659 nm 發射）、Kaur 等［11］摻雜Dy3+離子的CeO2白光熒光粉（221、273、316、337、351、369 nm激發，486、580 nm 發射）、Malleshappa 等［12］摻雜Eu3+離子的CeO2紅色熒光粉（370 nm 激發，612、632 nm 發射）、Ba?a 等［13］雙摻雜Er3+/Yb3+的CeO2黃綠色熒光粉（655、676 nm 激發，545、558 nm 發射）等。上述研究合成的CeO2熒光粉潛在應用領域包括白光照明、測溫、光伏電池等，它們均推動了CeO2基發光材料在光學和各領域應用的發展和進步。

傳統應用領域中，通常情況下5~12 μm 粒徑范圍內的熒光粉結晶性好、發光強度高，微米級粉體能夠滿足顯示、照明等應用場景要求。實驗中，利用固相法能夠很好地營造埋碳操作中還原氣氛，同時還具有合成的熒光粉顆粒無團聚、填充性好、成本低、產量大、制備工藝簡單、易于操作等優點。為拓展CeO2基發光材料的開發和應用，綜合考慮合成成本和應用前景等因素，研究采用固相埋碳法合成CeO2：Mn 綠色熒光粉。結果表明，Mn2+在CeO2晶格中可以發出519 nm 較純且強的綠光，其發射峰與三基色熒光粉中的520 nm 理論最佳綠光十分接近［14-15］，這為綠色發光材料的開發與合成提供了新思路。此外，由于試樣的主要成分與汽車尾氣等場景的催化劑CeO2-MnOx相近［16］，該熒光粉在特定領域具有一定的應用前景。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

CeO2（純度99.99%）、碳酸錳（MnCO3，純度99.99%）、氧化鋁（Al2O3，分析純），以上藥品均購自阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 實驗過程

首先，分別稱取化學計量比為CeO2：xMn（x=0.01~0.04）混合粉體，加入少量且適量的Al2O3（為CeO2質量的5%）作填充劑［17］，分散劑Al2O3不與CeO2和MnCO3反應。配制好的粉體經瑪瑙研缽充分研磨、混合均勻后裝入埋碳坩堝的內層小坩堝中。將樣品置于高溫爐內，以5 ℃/min 升溫至800 ℃后再以3 ℃/min 升溫至1 500 ℃煅燒5 h。燒成的粉體自然冷卻后經酸洗、水洗、醇洗后獲得熒光粉樣品。

1.3 表征方法

采用布魯克D8 Discover 衍射儀表征試樣的X射線衍射譜（X-ray diffractometer，XRD）；分別采用馬爾文Master Sizer 3000 激光粒度儀和日立U-3900 掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）表征試樣的粒徑分布和表面形貌；采用堀場Fluoromax-4 熒光分光光度計測試其光學性質。

2 結果與討論

2.1 晶體結構

不同Mn 摻雜濃度的熒光粉試樣的XRD 譜圖如圖1（a）所示。參考JCPDS 中CeO2標準數據卡片#34-0394，可以發現，試樣的XRD 譜圖中均含有CeO2的衍射峰，試樣的XRD 衍射峰與標準卡片特征峰一一對應。即使在較高濃度Mn 摻量的CeO2：0.033Mn 試樣中，XRD 譜圖中未出現其它雜質衍射峰，一定程度上說明Mn 可以進入基質晶格形成較穩定的立方螢石結構CeO2-MnOx固溶體。

圖1 （a）CeO2：Mn 的XRD 譜圖；（b）衍射峰位置圖Fig.1 （a）XRD patterns of CeO2：Mn；（b）XRD peaks position

分析XRD 譜圖中試樣的晶體結構，納米Al2O3在熱處理過程中能夠避免因為Mn 引入導致的CeO2主晶格燒結；高表面活性的納米Al2O3在高溫作用下能夠與CeO2晶體表面高反應性的氧空位結合，在1 200 ℃以上的環境中形成供Mn 取代的四面體格位，促進摻雜。

圖1 （b）為合成CeO2：Mn 試樣XRD 在28.45°~28.70°的衍射峰，該衍射峰對應CeO2晶體（111）晶面特征峰。隨Mn 摻雜濃度的增加，試樣XRD 譜中衍射峰整體向大角度方向輕微偏移，偏移角度可以從圖1（b）衍射峰位置的變化看出。偏移產生的原因是發光中心Mn2+取代、占據Ce4+格位導致的，半徑較小的Mn2+取代Ce4+使晶體晶面間距縮小，晶胞參數和晶格常數也相應減小，衍射峰位置向大角度偏移，符合布拉格定律對晶體衍射的推論。據此判斷，Mn2+的摻雜改變了CeO2晶體中氧的濃度，此時晶體總O2-濃度降低、氧空位缺陷增多，一定程度上維持了電價平衡，該推斷與黃河［18］的研究結果相符。

2.2 粒徑和微觀形貌

圖2 為CeO2：0.033Mn 試樣的粒徑分布圖。由微分分布曲線可知，合成試樣的顆粒分布均勻，粒徑分布集中于6~10 μm 范圍內，體積累積10%對應粒徑D10=4.41 μm；體積累積50%對應粒徑D50=9.83 μm；體積累積90%對應粒徑D90=21.90 μm。根據累積分布曲線，體積約96%的微粒處于3~30 μm 的可利用區間，其中，71%的顆粒處于5~12 μm 最佳分布區間。粒徑分布圖證明，合成的CeO2：Mn 熒光粉方便分級和后處理，且有利于發光領域應用。

圖2 CeO2：0.033Mn 試樣的粒徑分布圖Fig.2 Particles size distribution of CeO2：0.033Mn

圖3 為CeO2：0.033Mn 試樣在2 000 倍和8 000倍放大時觀測到的SEM 圖像。SEM 圖像顯示出，合成試樣的顆粒大小接近、分布均勻，顆粒粒徑大多處于6~10 μm 區間內，與LPSA 結果相符；形貌多為不規則的橢球形和條形顆粒；試樣中大顆粒主要源于較小顆粒的聚集，顆粒間有清晰的邊界。聚集是粉體顆粒在高溫處理過程中的混合重排，CeO2顆粒表面活性增大、氧空位濃度增加、粒界增大，接觸的顆粒間產生鍵合，并且伴隨Mn 的擴散與傳質，最終聚集為較大粒徑的熒光粉微粒。

圖3 CeO2：0.033Mn 的SEM 圖Fig.3 SEM images of CeO2：0.033Mn

2.3 光譜性質

圖4 （a-c）為制得CeO2：Mn 熒光粉的激發光譜和發射光譜。

圖4 （a）激發光譜；（b）330~480 nm 波段CeO2：0.033Mn 的激發光譜；（c）發射光譜；（d）發光強度比與濃度的關系Fig.4 （a）Excitation spectra；（b）Excitation spectrum of CeO2：0.033Mn at 330-480 nm；（c）Emission spectra；（d）Relationship between ratio of luminescence intensity and Mn concentration

根據圖4（a）的激發光譜，對于CeO2：0.033Mn試樣，監控波長為520 nm，激發范圍為250~330 nm時，顯現出中心位于272 nm 強而寬的激發帶，對應主晶格CeO2中O2-→Ce4+電荷遷移對紫外光的強吸收，也與發光中心O2-→Mn2+的電荷遷移相近［19］；圖4（b）為光譜儀監控波長為520 nm 時，CeO2：0.033Mn 在330~480 nm 波段的發射光譜，該試樣在360、386、427、450 nm 處有4 個激發峰，這4個激發峰分別對應發光中心Mn2+的6A1（6S）基態到4E（4D）、4T2（4D）、［4A1（4G）、4E（4G）］、4T2（4G）激發態遷移，但這4 個激發峰強度很低，僅為O2-→Ce4+電荷遷移激發強度的1%。根據研究，發光中心Mn2+受到了晶體場效應限制，自身的軌道躍遷為禁阻躍遷，激發強度很低；而O2-→Ce4+電荷遷移能夠將紫外能量傳遞給激發發光中心Mn，增強Mn2+的發射強度。

圖4 （c）發射光譜顯示，該試樣在272 nm 激發下發射出中心位置在519 nm、波段范圍490~560 nm的強發射譜帶，半高寬約35 nm，該發射峰對應四面體結構內Mn2+離子典型的4T1（4G）→6A1（6S）能級躍遷。

圖4 （d）為試樣發光強度比k隨Mn 摻雜濃度變化的趨勢。其中，k為研究合成的CeO2：xMn（x=0.01~0.04）與CeO2：0.033Mn 的發光強度之比，k越大，試樣的發光越強。結合發射峰強度變化分析后可以發現，該熒光粉的發光強度隨Mn 摻量上升而增加，至x=0.033 時發光強度達到最大。之后，即使增加Mn 摻量，發光強度反而降低，產生濃度猝滅。濃度猝滅是Mn2+間相互作用產生的，高濃度的Mn 摻量使Mn2+間平均間距減少，晶體間形成無法發光的Mn 離子簇的概率增加，Mn2+之間相互作用產生能量遷移和交叉弛豫［20］，抑制發光。

使用GSAS 軟件對合成試樣的發射光譜進行擬合，獲得如圖5 所示的國際照明委員會（Commission Internationale de l'Eclairage，CIE）色度坐標。該熒光粉發射光譜的色度坐標隨Mn 摻雜濃度的上升從（0.123，0.774）延伸至最佳摻量CeO2：0.033Mn 對應的（0.177，0.772），發生濃度猝滅后偏轉至（0.172，0.773）。發射光譜的色度坐標接近520 nm 的綠光邊界，說明該熒光粉發射出色度較純的綠光。

圖5 CeO2：Mn 試樣的CIE 色度坐標圖Fig.5 CIE chromaticity coordinates of CeO2：Mn

發光中心Mn2+的產生是Mn 源在900~1 500 ℃的高溫環境中自還原相變形成的。當納米Al2O3在CeO2晶格中構建四面體格位后，Mn2+通過取代反應進入CeO2格位，CeO2在高溫下趨于自還原形成氧空位以平衡晶體內部電價，能夠允許Mn 的有限取代，實現發光中心的產生。

3 結 論

本研究通過高溫固相反應在碳還原氣氛中合成CeO2：Mn2+新型綠色熒光粉，該熒光粉制備過程簡單、性能穩定。XRD、LPSA、SEM 及熒光分析結果顯示，Mn 能較好地進入CeO2晶格內，無其它雜相產生；試樣的粒徑集中于6~10 μm 范圍內，分布均勻，便于分級和處理，可直接利用；合成的CeO2：Mn2+試樣能夠被272 nm 紫外光有效激發，發射出519 nm 的高強綠光，最佳Mn 摻量發射光譜的色度坐標位置為（0.177，0.772）。試樣發射出的519 nm 的綠光與紅綠藍三基色系統中綠色光源的理論最佳值520 nm 十分接近。綜上，該CeO2：Mn 熒光粉是一種結構穩定、發光性能優異的高性能綠色熒光粉，有潛力應用于顯示和照明領域。此外，熒光粉主晶格CeO2是一種應用廣泛的功能材料，考慮到其獨特的應用場景，該熒光粉還有潛力應用于化工和催化領域作指示劑等。