镧系金属硼磷酸盐的合成、表征及其光致发光性质研究

This project is intended to synthesize lanthanide metal borophosphate as a new type of photoluminescence material which has a controllable advantage in the aspects of structure and luminescence properties by solvothermal method. The materials will be structurally characterized by X-ray powder diffraction, X-ray singal crystal diffraction, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and spectral analysis, etc. By controlling anionic partial structure of lanthanide metal borophosphate and then regulating the concentration of luminescent ions in lattice, the photoluminescence of this material under the harmonious effects of luminescent ions and anionic partial structure units is likely to possess controllable characteristics. We will study the rule of the synthesis conditions acting for the cutting action of synthesizing borophosphate, explore the relationship of the chemical composition, morphology, microstructures structure and luminescent properties, discuss the effect of metal ionic species, transition of electron configuration, electron and energy transfer in the borophosphate crystal of boron-oxygen groups and phosphorus-oxygen groups located in anionic partial structure on photoluminescence properties, disclose the luminescence mechanism of the materials with the excitation of ultraviolet and infrared light. By this study, it is possible to open up a novel photoluminescence material.

本项目拟采用溶剂热方法制备具有可控性能的镧系金属硼磷酸盐新型光致发光材料，利用X-射线单晶和多晶衍射、扫描电镜、透射电镜和光谱分析等方法对材料的物相和结构进行表征与分析。通过控制硼磷酸盐阴离子结构单元调节进入晶格的发光离子浓度有望实现材料在发光离子与阴离子结构协调作用下发光的可控性。研究合成条件对硼磷酸盐合成的裁剪作用规律，揭示材料组成、形貌和微观结构与发光性质之间的内在关系。探讨稀土硼磷酸盐中发光离子种类、电子组态跃迁、阴离子结构中硼氧基团和磷氧基团在晶体内部的电子和能量传递等对发光性能的影响，揭示稀土硼磷酸盐在紫外光和红外光激发下的光致发光机制，以期发现新型光致发光材料。

探索制备镧系金属硼磷酸盐单晶和具有可控性能的凝聚态新型发光材料并研究其发光性能和机理，具有广阔的应用前景。本项目主要选用KMBP2O8 (M = Sr, Ba)、β-Zn3BPO7、Bi4O3(BO3)(PO4)三类硼磷酸盐为基质，通过高温固相反应合成了KMBP2O8(M = Sr, Ba):Ln (Ln = Ce3+, Eu3+, Sm3+, Tb3+)、β-Zn3BPO7:Ln (Ln = Ce3+, Eu2+, Eu3+)、Bi4O3(BO3)(PO4):Eu3+八种稀土离子掺杂硼磷酸盐新材料；研究了这些材料的物相纯度、形貌以及组成；讨论了这些材料的激发和发射光谱、衰减曲线、色度坐标、色纯度、最佳掺杂浓度以及浓度猝灭机制等光谱性质；探讨了材料中发光离子种类、电子跃迁类型、掺杂浓度等因素对材料的发光颜色、发光强度、荧光寿命以及浓度猝灭机制的影响。结果表明：Eu3+、Sm3+、Tb3+离子掺杂的KBaBP2O8材料在近紫外光激发下分别发射橙色光(594nm)、黄橙色光(599nm)和黄绿色光(489nm-618nm)；KMBP2O8(M = Sr, Ba): Ce3+和β-Zn3BPO7: Ce3+在短波紫外光激发下可发射长波紫外光；β-Zn3BPO7:Eu2+和β-Zn3BPO7:Eu3+在紫外灯照射下可用肉眼观察到明显的蓝绿光和橘红光发射；Bi4O3(BO3)(PO4):Eu3+材料在394nm激发下，通过调节Eu3+离子的掺杂浓度，可实现从白色到红色的发光颜色变化，当Eu3+离子的掺杂浓度较低时，可实现材料的白光发射。这些研究不仅揭示了以硼磷酸盐为基质的发光材料微观结构与发光性质之间的内在关系以及材料在稀土离子与硼磷酸盐基质协同作用下发光的规律性，而且在固态照明和显示领域也有着重要的科学意义和潜在的应用开发价值。此外，本项目还研究并报道了一些稀土离子掺杂的磷酸盐发光材料和不含镧系金属的硼磷酸盐和硼钒酸盐化合物。需要指出的是，本项目在采用溶剂热技术探索制备镧系金属硼磷酸盐单晶过程中遇到困难，尽管不断调整反应条件，由于受稀土离子配位数高、易水解等因素影响，未能得到镧系金属硼磷酸盐单晶，但课题组在合成镧系金属硼磷酸盐单晶方面积累了一些经验。