台大刘如熹团队 Angew: Sr(LiAl3)1-x(SiMg3)xN4: Eu2+荧光粉——结构演变和邻位阳离子对发光性能的调控


【引言】

当今社会,人们对具有高显指和高能效的高质量照明系统的需求越发迫切,其中LED照明最具优势。荧光粉是LED器件的重要组成,直接决定着LED的品质,其中红色荧光粉尤为重要。在过去几年里,研究人员开发了大量的窄带氮化物荧光粉,其中SrLiAl3N4: Eu2+(SLA)具有极窄的发射带宽(~50 nm)和优异的热稳定性,在下一代高质量照明中极具应用前景。但其发射峰位于约650 nm处,对人眼来说敏感度较低,因此会降低流明效率(LER)。另外, SrSiMg3N4: Eu2+(SSM)氮化物荧光粉,在有序通道结构中具有单个Sr位点,相比SLA具有更窄的发射带宽(~43 nm)。其发射波长约为610 nm,虽然对于红光成分来说略短,但能够提供更高的LER。SSM的带隙较小,因此容易发生严重的热离子化,热猝灭严重。固溶体策略是荧光粉设计中的常用手段,因此合成SLA和SSM的固溶体有望扬长避短。

【成果简介】

近日,台湾大学刘如熹教授(通讯作者)团队合成了一系列的Sr(LiAl3)1-x(SiMg3)xN4: Eu2+ (SLA-SSM)荧光粉。X射线衍射(XRD)结果显示成功合成了SLA-SSM固溶体。其中,SLA-SSM的发射峰值范围为615~680 nm,表明这些材料存在结构变化。由于XRD和中子粉末衍射在区分SLA-SSM中的Li+、Mg2+、Al3+和Si4+离子方面的局限性,故利用7Li固态核磁共振(ss-NMR)检测了Li(1)N4和Li(2)N4四面体,揭示了两个Sr位点的配位环境的变化,并解释了其发光性能。通过变温光谱和荧光寿命研究了Eu2+在两个Sr位点(Sr1和Sr2)的不同环境。此外,X射线近边吸收(XANES)分析显示:与SrLiAl3N4: Eu2+和SrSiMg3N4: Eu2+荧光粉相比,SLA-SSM中Eu2+浓度异常高,这是首次在UCr4C4结构中报道相关结果。最后,作者提出了一种整体机制来解释配位阳离子对发光行为的调控,有助于理解固溶体合成过程中独特的发光性质及其复杂结构演变。研究成果以题为“Structural Evolution and Neighbor-Cation Control of Photoluminescence in Sr(LiAl3)1-x(SiMg3)xN4:Eu2+ Phosphor”发布在国际著名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

【图文解读】

图一、利用XRD对Sr(LiAl3)1-x(SiMg3)xN4:Eu2+的表征
(a)Sr(LiAl3)1-x(SiMg3)xN4: Eu2+的XRD图案;

(b)Sr(LiAl3)0.2(SiMg3)0.8N4: Eu2+的XRD Rietveld精修;

(c)Sr(LiAl3)1-x(SiMg3)xN4: Eu2+的体积变化。

图二、Sr(LiAl3)1-x(SiMg3)xN4:Eu2+的光致发光光谱

图三、 不同x值下,Sr(LiAl3)1-x(SiMg3)xN4:Eu2+7Li核磁共振谱(ss-NMR)

图四、Sr(LiAl3)1-x(SiMg3)xN4:Eu2+的变温光谱

图五、Sr(LiAl3)1-x(SiMg3)xN4:Eu2+的Eu L3-边XANES谱

【小结】

综上,作者成功地合成了一系列的Sr(LiAl3)1-x(SiMg3)xN4: Eu2+固溶体荧光粉。利用同步辐射XRD、中子衍射、结构精修和Li ss-NMR等手段,对局域结构和取代过程进行了研究。随着x值(x = 0-0.6)的增加,Li(2)N4四面体的膨胀导致Sr2体积的压缩,使得Eu(Sr2)有更强的晶体场效应,从而PL产生650→679 nm的红移。而Sr2的体积持续膨胀则会导致PL蓝移。并且利用XANES在UCr4C4体系中首次发现Eu2+高的相对浓度,可能是固溶过程中更大的Sr1位点导致的。本研究为利用固溶体策略设计和合成荧光粉,并研究其的结构演变和发光性质提供了一个很好的范例。

文献链接:Structural Evolution and Neighbor-Cation Control of Photoluminescence in Sr(LiAl3)1-x(SiMg3)xN4:Eu2+ Phosphor(Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI:10.1002/anie.201903178)

本文由材料人CQR编译。

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