通过Bi3+/Tb3+/Eu3+/Lu3+共掺与晶场调控实现高对称性硼酸盐荧光粉的白光发射与性能优化

　　本文系统研究了高对称性Ba3Y2B6O15（BYB）荧光粉共掺杂Bi3+/Tb3+/Eu3+/Lu3+的发光特性，通过能量转移（ET）和晶场调控实现了高色纯度、高热稳定性的冷白光发射，为高性能荧光粉转换白光二极管（pc-wLED）提供了新策略。

　　

Highlight

本研究通过多步溶胶-凝胶法合成了一种高对称性Ba₃Y₂B₆O₁₅（BYB）荧光粉，并共掺杂Bi³⁺、Tb³⁺、Eu³⁺和Lu³⁺离子。系统揭示了不同离子在BYB基质中的光致发光（PL）行为差异，通过Bi→Tb→Eu的能量转移（ET）过程调控发射光谱，成功实现冷白光发射。采用Lu³⁺替代Y³⁺的策略调节晶场分裂与对称性，拓宽Bi³⁺的蓝光覆盖范围，增强Eu³⁺的超灵敏跃迁（⁵D₀→⁷F₂），显著提升红光发射强度。优化后的荧光粉具备更紧密的刚性结构，降低了电子-声子耦合效应，展现出优异的化学/热稳定性。最终通过远程“帽式”封装技术，将优化荧光粉与紫外LED芯片集成，制备出色坐标（0.361,0.358）、光效（LE）达95.2 lm/W的高性能pc-wLED器件。

Section snippets

Experimental

合成方法：以分析纯Ba(NO₃)₂、Y(NO₃)₃·6H₂O、H₃BO₃、柠檬酸（C₆H₈O₇）、乙二醇（C₂H₆O₂）及掺杂离子盐类为原料，采用溶胶-凝胶法在空气气氛中制备Ba₃Y_2(1-x-y-z-n)Bi_2xTb_2yEu_2zLu_2nB₆O₁₅系列荧光粉。通过精确控制掺杂比例（x=0.01–0.09, y=0.03–0.20, z=0.12–0.28, n=0.05–0.35），获得粒径均匀的多晶样品。

Results and discussion

结构、物相与形貌分析：BYB作为硼酸盐家族中罕见的立方晶系成员（ICSD占比<5%），掺杂后的XRD图谱与标准卡片（ICSD-261704）高度吻合（图1a、1b），证实离子掺杂未破坏晶体结构。扫描电镜显示样品呈规则多面体形态，粒径分布集中（图1c）。通过结构精修与离子半径对比，明确Bi³⁺、Tb³⁺、Eu³⁺、Lu³⁺均占据Y³⁺位点，但由于Y1/Y2位点差异及Lu³⁺的晶场调制作用，局部对称性发生微妙变化。

Conclusion

通过溶胶-凝胶法成功合成Bi³⁺/Tb³⁺/Eu³⁺/Lu³⁺共掺BYB荧光粉，系统研究了其晶体结构、光谱可调性及稳定性。离子占据高对称性Y位点，但Lu³⁺的引入通过调节晶场环境，有效拓宽蓝光发射、增强Eu³⁺红光跃迁，最终实现白光发射的优化平衡。该工作为开发高性能单相白光荧光粉提供了理论与实验基础。