上海硅酸盐所在稀土掺杂SiAlON基荧光材料构效关系研究方面取得重要进展

       稀土掺杂（主要是Ce和Eu）SiAlON基荧光粉具有与商用YAG:Ce和硅酸盐荧光粉相当的量子效率，并且由于SiAlON（Si3N4固溶体）刚性的晶体结构，荧光粉呈现出更低的热淬灭现象，结合其较高的发光效率、良好的化学稳定性以及发射和激发波长随基体成分变化容易调控等优点，SiAlON基荧光粉在大功率长寿命LED中呈现非常广阔的应用前景。Ce3+和Eu2+在SiAlON基体材料中的发光是依靠电子在4f和5d能级之间的跃迁来实现的，由于跃迁的具体方式会受到周围晶体场的强烈影响，会产生Stoke位移和电子云重排效应，所以基体组成和稀土离子的配位情况直接决定样品的发光波长和性能。之前的研究普遍认为RE离子在α-SiAlON和β-SiAlON结构中的填隙位置，但具体的位置坐标及其与基体组分和发光波长的关系没有确定。一些研究发现Ce和Eu在SiAlON基体中会存在混价的现象，但不同价态稀土离子的结构占位及其对性能的影响机制不清楚。另外，SiAlON荧光粉的微结构特征包括结构缺陷和表面结构等与发光性能的关系也是性能优化的一个重要研究课题。
 
　　围绕上述科学问题，中国科学院上海硅酸盐研究所许钫钫研究员带领的团队综合利用XRD（X-ray Diffractometry，X-射线衍射）、TEM（Transmission Electron Microscope，透射电镜）、STEM-HAADF（Scanning Transmission Electron Microscope-High Angle Annular Dark Field，扫描透射电镜-高角环状暗场像）、SEM-CL（Scanning Electron Microscope-Cathodoluminescence spectroscopy，扫描电镜-阴极发光谱）、EELS（Electron Energy-Loss Spectroscopy，电子能量损失谱）和XAS（X-ray Absorption Spectroscopy，X射线吸收谱）等先进表征手段，深入研究了α-SiAlON:Eu/Ce、β-SiAlON:Eu/Ce荧光材料的稀土掺杂结构和微结构特征，包括掺杂稀土离子的分布、价态、占位和配位情况，各种发光中心的发射波长和强度及其与微结构（如正常格点、晶内缺陷和表层晶格）的关系等，这些研究深化了对发光材料的发光特性和本质的认识，揭示了微结构与发光性能之间的一般性规律，明确了提高发光效率的微结构参数，并藉此进行了SiAlON基荧光体发光性能的有效剪裁设计，最终实现发光强度80%的提升。相关研究结果发表在Appl. Phys. Lett. 2012, 101, 161904、Nanoscale 2015, 7, 11393、ACS Applied Materials & Interfaces 2017, DOI 10.1021/acsami.7b05603等期刊上。
 
　　借助原子分辨STEM-HAADF等表征手段以及结构模拟计算，确立了Ce在α-SiAlON晶格中的结构占位，发现Ce在结构空腔填隙位置的占位在z=3/8~1/4范围内分布，导致发射光谱的进一步宽化。α-SiAlON:Ce荧光粉微结构中形成一种面缺陷，而Ce在面缺陷内富集，TEM分析揭示此缺陷由1/3<210>滑移加上一个倒反操作形成，在面缺陷处形成一个更大的空腔，缓解了因高浓度掺杂而导致的结构应变；借助SEM-CL微区表征，发现该缺陷处的高密度掺杂在有些情况下非但没有造成浓度淬灭，反而出现发光增强的现象，进一步研究表明这与面缺陷的形貌和偏位错浓度有关，通过对不同掺杂浓度荧光粉缺陷结构的表征，最终得出一个重要结论，即该发光材料中所谓的‘浓度淬灭’其真正原因是高掺杂而导致的‘缺陷淬灭’（Inorg. Chem. 2011, 50, 2905; Appl. Phys. Lett. 2012, 101, 161904; Ceram. Inter. 2013, 39, 8319）。
 
　　在β-SiAlON:Ce和β-SiAlON:Eu的研究中，确立了稀土离子在晶体结构中有三种占位，即c-方向通道内的6-和9-配位两种填隙占位以及意想不到的Si(Al)取代占位，结合EELS稀土离子的价态分析和第一性原理计算，明确了填隙位置是Ce(III)和Eu(II)低价态占据，对发光起主要贡献；而取代位是Ce(IV)和Eu(III)高价态占据，前者不发光，后者有微弱发光。研究同时明确了不同基体组分对稀土离子不同位置占位的影响规律，从而可实现发光性能的调控（Nanoscale 2015, 7, 11393; Mater. Res. Bull. 2014, 51, 205）。
 
　　研究首次发现在a-SiAlON荧光粉中晶粒表面附近稀土离子掺杂量更高，且表面发光强度高于晶粒内部，从而形成了表面高掺杂和结构优化的制备工艺设想。对a-SiAlON:Eu体系采取了表面再处理等微结构调控手段，通过HF酸对表面非晶层进行清洗，同时形成富Eu的前躯体，然后通过高温热处理进行表面再生长，获得了表面有效高掺杂的荧光粉，实现发光强度80%的高增长（ACS Applied Materials & Interfaces 2017, DOI 10.1021/acsami.7b05603）。