第31卷,第12期 2 0 1 1年1 2月 光谱学与光谱分析 Vo1.31,No.12,pp3223—3227 December,201 1 Spectroscopy and Spectra1 Analysis Eu2+掺杂Sr2SiO4长余辉材料的热释光研究 彭铁球,王银海 ,李 亚,熊 毅 广东工业大学物理与光电工程学院,广东广州 510006 摘要采用高温固相法在弱还原的气氛下合成了Sr2SiO 高亮度的黄色长余辉材料。通过x射线衍射 (XRD)分析发现所制得的样品属于a/-Sr2 Si04斜方晶系结构;样品的光致发光特性表明,在320 rim激发光 的照射下,出现峰位为490 nlTl的宽带发射峰。样品余辉特性显示:样品的余辉衰减曲线符合双指数衰减。 在温度293 ̄598 K内样品有4个热释光峰,峰值温度在346,420,457和552 K附近。不同的等待时间热释 光曲线表明:在衰减过程中,热释光峰位置发生移动,显示材料中存在缺陷能带;同时不同深度的陷阱能级 衰减规律不同,表明了陷阱能级之间存在电子转移现象。 关键词长余辉;热释光;SrzSi04;高温固相法;陷阱能级 文献标识码:A DOI:10.3964/j.issn.1000—0593(2011)12-3223—05 光二极管)的荧光发光粉,从而成为了研究热点。自1968年 中图分类号:0433 引 言 长余辉材料是指将太阳光,日光灯的光以及其他光的能 量存储起来,在室温下以可见光的形式缓慢释放出来的材 料。由于其不需要消耗多余的能量而且对环境没有污染,是 一Barry报道了它的发光特性以来_6],研究人员便投人了大量 的精力对其进行研究,并取得了不小的成绩,如SUN等_7] 以及Bacce等I8]分别通过高温固相法制备了发射黄绿光的 sr2si04:Eu ’。的磷光体和发红光的Sr2Si04:EU3。。磷光体; Kim等l9]研究了温度对^ Si04:Eu抖(M—Ca,Sr,Ba)发 种非常理想的储能材料,因此自1866年法国人Sidot首次 射谱的影响,发现随着温度的升高Sr2Si04:Eu。 的发射谱 出现红移且发射光强度增加,而CazSi04:Eu抖和BazSi04: 发现ZnS型荧光粉具有长余辉现象以来,大量的科研人员对 这种长余辉材料进行了广泛的研究,研究范围从硫氧化物, 到铝酸盐、硅酸盐以及磷酸盐等等,在发光机理以及实际应 用方面都取得了重大的进展Ⅲ1。]。材料的长余辉和陷阱能级 问存在着直接的联系,陷阱能级的深度决定了材料的余辉时 间,而微观上的陷阱能级可以通过热释光技术来测量,因此 Eu件的发射谱则是出现蓝移等。 本工作主要以srzsi04为基质,通过高温固相法制备了 Eu 掺杂的s r1_。 si04:E 磷光体,测量了它的晶体结构 和光谱特性。仔细测量了不同等待时间的热释光谱,发现了 不同的热释光峰随等待时间有不同的衰减规律,探讨了样品 陷阱能级之间可能存在电子转移现象。 研究材料的热释光对认识材料的余辉特性具有重要的意义。 如谢伟等[4]在Ca离子取代sr的过程中,发现Ca的掺入量 影响Sr4 A1 02s:Eu ,Dy3 的余辉时间,并发现余辉时间 的变化源于不同深度的陷阱能级。Lakshminarasimhan等_5] 在Sr2 Si04:Eu 基质中通过分别共掺杂Ce,Nd,Sm和Dy 离子,发现当在基质掺杂Dy离子时,基质中可以产生 1实验部分 1.1样品制备 采用高温固相法制备了磷光体的样品。根据Sr Si(h: Eu。-os化学计量比准确称取原料SrCO3(分析纯),Si02(分析 深浅适当的陷阱能级,等等。我们在测量热释光的过程中也 发现,在激发停止后等待时间不同样品的热释光会有不同。 相关的研究没有见到文献报道。 纯),Eu。03(99.9 ),将上述原料称取好之后放入研钵中充 分研磨1 h,使各原料混合均匀,制备前驱体。接着将前驱体 装入刚玉小舟中,放入高温管式炉中升温4.5 h至1 250℃, 在众多的长余辉发光盐体系中,Eu抖掺杂srz si04发光 材料不仅可以储存能量释放出长余辉更是可以作为LED(发 收稿日期:2011-03—05,修订日期:2011—06—28 基金项目:国家自然科学基金项目(20871033)资助 并在1 250℃弱还原气氛下(5 H2和95 N2)保温3.5 h, 作者简介:彭铁球,1986年生,广东工业大学物理与光电工程学院硕士研究生 *通讯联系人 e-mail:yhwang@gdut.edu.cn e-mail:pengtieqiu@163.com 3224 光谱学与光谱分析 第3l卷 最后在氮气做为保护气体的的情况下冷却至室温并取出即得 所需磷光体样品。 1.2样品测量 可以肉眼观察到很强的余辉,其可见余辉时问达到1O rain, 为此我们测试了其余辉衰减特性,并采用单光子计数系统测 量了样品在激发停止后发光强度随时问的变化,即余辉特 性。 利用MSAL-XD-2型X射线衍射仪对样品的结构和物相 进行分析,采用Cu靶,波长为0.54 ilm,对样品进行扫描. 扣描的起始角为14。,终止角为7O。,步宽为0.02。。样品的激 发和发射光谱用HITAcHIF_7oOO荧光光谱仪进行分析。用 GSZF-2A型单光子计数系统测试样品的余辉特性,测试前 254 nm的紫外灯下激发4 rain。用FJ27A1微机热释光剂 量计对样品进行热释光分析,分析前用日光灯对同一样品光 照4 arin,关闭光源后,分别对样品等待3,15,60,180以及 600 arin后接着采用1℃・S_1的升温速率,从室温至350℃ 的温度范围对样品进行热释光检测。 2结果与讨论 2.1样品的)aRD分析 图i为所制得的样品的X射线粉末衍射(xI D)图。结果 表明 I 250℃弱还原气氛的高温固相法下所制得的样品中 没有发现Euz03的衍射峰,且样品为单相,其衍射峰图谱与 JCPDS 片No.39 1256的衍射图谱基本吻合,由此推断成 功合成了a Srz Si04斜方晶系结构。而通过仔细观察后我们 发现所制得的样品衍射峰和标准卡片对比有稍许偏移,这可 能是由于sr抖离子半径比Eu 。L离子半径大([sr21。]一0.112 nm,[Eu ]一o.107 nm)所导致的,同时也说明了Eu 已经 完全进入J,SrzSi04品格之中。 2O 30 4O 5O 6O 70 2 。) Fig.1 XRD pattern 2.2样品的发光性质分析 图2为样品的激发和发射光谱,其中实线n是对490 nrn 进行 测所得到的激发光谱,虚线b则是样品在320 nm激 发光照射下的发射光谱。由图2n可知,样品是含有两个激发 峰的宽带峰,峰位分别为290和320 rim。图26显示,发射图 谱为明显的宽带谱,半峰宽为100 nm,峰位在490 nin处, 这和文献[103中所记载的一致,是典型的Eu 的4 5 一 4 跃辽… 。 2.3样品的余辉特性 采用254 rlITI的紫外灯对样品进行光照4 arin,在室温下 250 300 350 400 450 500 550 600 650 Wavelength/nm Fig.2 a:Excitation spectrum b:Emission spectrum 图3为所测量的结果。从测量结果中我们可以看出衰减 过程可以划分为开始的快衰减过程和随后的慢衰减过程,我 们将样品的长余辉衰减曲线进行拟合,可得到样品的长余辉 衰减曲线与双指数函数所得的曲线基本一致(图3 的实线 n代表样品的衰减曲线,虚线b为拟合所得的曲线), 以用 下式表示l1 ] j—J1 eXp( )+Izexp( ) (1) 其中J表示样品的荧光强度。j 和jz是和初始亮度干¨关的 常数,n和rz分别为快衰减和慢衰减的的寿命常数,对余辉 起主要贡献的是慢衰减常数Z'2。通过拟合IJI以得到t 一17.5 S,t —133 S 0 l00 200 Time/s Fig.3 The dec.dy curve of Sr2SiO4:Eu2 a and fitted curve b 2.4样品的热释光分析 材料的长余辉特性和陷阱能级之间有直接的联系,材料 中由于引入了稀土离子,产生了缺陷,同时形成了电子陷阱 能级。当样品受到光激发时,发光中心的基态电子受激发跃 第12期 光谱学与光谱分析 3225 迁至激发态,同时激发态的电子亦迁移回基态,伴随发光。 而随着电子陷阱能级的引入,当电子从激发态跃迁回基态的 过程中,部分电子被陷阱能级捕获,当对样品停止激发时, (T)一 0eXp( )× 由于外界环境的热扰动的作用,使得被俘获的电子以缓慢的 方式从陷阱能级中逃逸出来,并在发光中心与空穴复合,形 『 ×T。exp( )+ ” 其中S为逃逸频率因素, 是时间t=0时的陷入陷阱的电荷 密度, 是热比率,k- 是波尔兹曼常数,£是动力学级数。E 和 o是描述激活中心产生的陷阱的物理特性的重要参量。 成余辉。通常来讲,基质中的陷阱能级深度必须适当,对于 较浅的陷阱能级,室温下易受热扰动的影响,从而使得陷阱 中的电子很容易从其中逃逸出来,余辉时间相对较短;而对 于深的陷阱能级中的电子,由于其在室温下受热扰动的影响 较小,从而使得深陷阱能级中的电子在室温下的逃逸速率很 而当忽略S对T (热释光谱峰值对应的温度值,单位为K)的 影响,并假设电子逃逸陷阱的频率为1/s,则我们可以利用 公式 ] 慢且数量很少,当对样品进行升温,深陷阱中的电子逃逸的 速率和数量都会增大,这种预先被激发的磷光体,借助于热 扰动从而使陷阱中的电子获释并与样品中的空穴复合而发 光,即为热释光。由此可知,对于陷阱能级的研究最直观有 效的方法就是测试其热释光谱。 将样品置于日光灯下激发4 min,接着将样品在室温下 放人热释光测量仪,按1 K・S一 的升温速率升温至598 K进 行测量,图4为所测得的热释光谱。 3oo 400 500 600 Temperature/K Fig.4 noluminescence glow curve 图4中的热释光谱表明,在晶格中,Eu 不仅是发光中 心,而且Eu。 的掺杂也能够在禁带中引入陷阱能级从而使 材料有一定的余辉。样品在293~598 K的范围内拥有4个 热释光峰,峰位所对应的温度分别为:346,420,457和552 K,这和文献[7]所报道一致。由于热释光峰和陷阱能级相对 应,可知所制得的样品有4种陷阱能级,同时我们将样品的 热释光峰按峰位温度由低到高分别对其进行标注为P1,P2, P3和P4。图中P1对应的强度很强,说明相对应的陷阱能 级中所含有的电子数量大,而当陷阱所对应的温度为333~ 383 K时,此时陷阱中所释放出来的电子在与基质中的空穴 复合同时发出光,为室温下所见的余辉l I,所以室温下对样 品的余辉起主要贡献的是所对应温度偏低的陷阱能级,而随 着温度的升高深陷阱能级中的电子受到热扰动的影响增大, 从而电子从陷阱中逃逸出且与空穴复合,并产生余辉。 基于对热释光性质的更深认识,我们计算了陷阱能级的 深度,陷阱能级深度可以通过对热释光谱拟合得到,拟合的 公式如下 ] E— /500 (3) 对陷阱的深度大小进行计算,式中的Et指的是陷阱能级深 度,单位为eV。计算所得的结果列于表l中。 由此可知,在室温下对余辉起主要作用的是浅陷阱能 级,表1中的陷阱深度为0.694 eV陷阱能级在室温下对长 余辉起主要贡献。 Table 1 Peak of the thermoluminescence and trap depth 热释光峰丁.m/K 陷阱深度E/eV 346.8 0.694 420.3 0.841 457.2 0.914 552.5 1.1O5 然而在实验过程中我们发现等待时间会射热释光有影 响。样品在相同的激发条件下,随着等待时间的增加样品的 热释光发生了变化。为此我们对等量的样品进行4 min的日 光灯激发,然后分别在黑暗的环境下等待TI一3 min, 一 15 min, 一60 min,T4—180 min和 一600 min,接着测 试其热释光谱(测试条件和上面热释光测试条件一致),并作 出热释光谱图,如图5所示。 八、一 fb):——15 mir 八/^ /\ 八/^\(c):--60 一 。。 ’fd):——l8dmi1 \、八 300 400 500 600 Temperature/K Fig.5 Thermoluminescence Oow cHrv ̄ with differentwaittingtimes “:3 rain;b:10 min;C:60 min;d:180 rain;e:600 rain 图5中,我们发现样品的热释光强度和峰位随着等待时 3226 光谱学与光谱分析 第31卷 间的增加呈现出不同的变化趋势,P1的强度随着等待时间 的增加逐渐减小,P2的强度开始的时候表现为逐渐减小,然 而当等待时间为180 rain强度却增加。P3的变化规律和峰 P1相似,P4的变化规律则是和P2的变化规律相似。 从图5中我们可以发现热释光峰的峰位有了一定的变 化,同时由于峰面积代表的是强度,为了更好的对热释光进 行分析,我们对图5中3个比较明显的峰(P1,P2和P4)进 行了多峰拟合,并将结果显示在图6和表2中。 ~:二 1 6:P2 /—\. P1. . 0 100 200 300 400 500 600 Time/min Fig.6 The integral of decay against time Table 2 Peak position of the change against time …/ mlrl 峰Peak 1对应 温度/K 峰peak 2对应 温度/K 峰peak4对应 温度/K 3 344 420 551 15 349 416 548 6O 355 413 540 l8O 543 408 600 407 541 在图6中,曲线分别代表不同热释光峰的峰面积随时问 的衰减规律,由图可知,P1峰的面积变化规律符合双指数衰 减规律。而其他两个峰的面积变化则是先减小后增加再减 少。 我们认为上述实验结果是由于在陷阱能级中电子的释放 以及陷阱能级间电子转移导致的。对于P1,对应浅陷阱能 级,而浅陷阱能级中的电子在室温下易受热扰动的影响,因 此有持续不断的电子从陷阱中逃逸出来,直至陷阱变为空陷 阱,此时陷阱能级在热释光谱上表现为峰的面积逐渐减小, 直至峰面积变为零,峰消失。而对于其他两个热释光峰的变 化趋势:虽然深陷阱能级在室温下受到热扰动的影响较小, 但是同时亦有部分电子从深陷阱能级中逃逸出来,从而热释 光表现为开始时的峰面积减少,而随着等待时间的推移,浅 陷阱能级释放出大量的电子,相当一部分浅陷阱能级所释放 的电子填充至深的陷阱能级,同时,深陷阱能级由于热扰动 的作用也释放出少量的电子,而从浅陷阱能级跃迁至深陷阱 能级的电子填充速率大于深陷阱能级的电子逸出速率,此时 的热释光峰的面积增大,随着等待时间的继续增加,浅陷阱 能级中的电子不断减少,逃逸的电子数越来越少,此时从深 陷阱能级中逃逸出来的电子速率大于浅陷阱能级电子对其的 填充速率,所以表现为热释光峰面积的减小。 从表2中我们发现,随着等待时间的增加,热释光峰位 呈现出不同的变化趋势。Pl的峰位随着等待时间的增加往 高温方向偏移,而P2和P4的峰位却大致往低温方向偏移。 为了解释这种现象,我们引入了缺陷能带并结合位形坐标模 型Ⅲ】 ,如图7所示。 Fig.7 Dislocation model of the long afterglow 图7中A是Eu 的基态,B是Eu 的激发态,C是缺 陷能级,D是陷阱能级中的缺陷能带。在外光源的作用下, 电子受激发从基态跃迁至激发态(1)。一部分电子跃迂回低 能级产生发光(2)。另一部分电子通过驰豫过程储存在缺陷 能级C中的缺陷能带D上。 对于P1峰位的偏移,这是由于浅陷阱能级在室温下容 易受热扰动的影响,从而使得电子容易从浅陷阱能级中逃逸 出来,同时缺陷能带带顶(即缺陷能带D的顶部)一卜的电子相 对于带底(即缺陷能带D的底部)上的电子更易受热扰动的 影响,更容易获释。当等待时间较少时,带顶上的电子逃逸 的数量大于带底上电子的逃逸数量,因此表现为热释光峰峰 位的温度相对偏低。而随着等待时间的增加,由于带顶上的 大部分电子已经逃逸出了陷阱能级,而带底上的电子则逃逸 出来的较少,因此,当对样品进行升温时,此时带底上的电 子逃逸出来的量大于带顶上逃逸出来的量,从而在热释光峰 上表现为峰位往高温方向偏移。对于其他热释光峰峰位往低 温方向偏移,这可能是由于随着等待时间的增加,浅陷阱能 级中的电子在逃逸过程中被深的陷阱能级所俘获,而又因为 陷阱能级中的缺陷能带存在,逃逸出来的电子首先被缺陷能 带上的带顶所捕获,从而使得带顶上的电子数量增加,而随 着温度的逐渐升高,样品受到的热扰动增强,此时带顶上的 电子也先逃逸出陷阱能级且逃逸数量大于从带底上的电子, 从而在热释光上表现为峰位温度相对较低。因此对于深陷阱 能级的热释光是随着等待时间的增加,峰位往低温方向偏 移。 第12期 光谱学与光谱分析 3227 4 5d 4f能级跃迁所致。样品具有黄色长余辉现象,并对 3结论 长余辉特性进行了分析,分析表明余辉的衰减符合双指数衰 减规律。重点研究了热释光,对样品进行了热释光的测试, 采用高温固相法,在弱还原气氛下制备了a 一 热释光谱表明有4个热释光峰,对应四个陷阱能级。研究了 Sr 7Si04:Euo.o3样品,该样品保持了“f_Sr2SiO4的斜方晶 在相同激发条件下,随着等待时间的增加,陷阱能级深度所 系结构,掺入的稀土离子完全进入了晶格之中,且对a 一 表现出来的变化,并用陷阱能级间电子转移和陷阱能级中的 SrzSi()4没有明显影响。样品的光致发光测量表明:样品的 缺陷能带理论进行了分析。 激发和发射谱都为带状谱,均以Eu。 为发光中心,由电子的 References [1] Xu X H,Wang Y H,et a1.Journal of Applied Physics,2009,105(8):083502. 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Thermoluminescence Study on Sr2SiO4 Long Afterglow Material Doped with Eu2+ PENG Tie-qiu,WANG Yin-hai ,LI Ya,XIONG Yi School of Physics and Optoelectronic Engineering,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China Abstract Sr1.97 Si04:E 十3 phosphors were synthesized through the solid-state reaction technique.The X-ray diffraction shows that the phase of the phosphors is orthorhombic a 一Sr2 SiO4.The produced phosphors show one intense emission band located at 490 nm.The phosphor shows a long afterglow properties excited by the sunlight.The decay characteristics show that the phos— phors consist of a quick decay process and a slow decay process.The experimental results demonstrate that the thermolumines— cence(TL)curves of the samples containing four peaks,located at 346,420,457 and 552 K,respectively.Meanwhile,the dif— ferent peaks show the different decay characteristics,and the electron transfer between the trap levels was measured. Keywords Long afterglow;Thermoluminescence;Srz Si04 High temperature solid state reaction method;Traps (Received Mar.5,2011;accepted Jun.28,2011) *Corresponding author