一种铒元素和铟元素共掺杂氧化镓荧光粉及其制法和应用-k8凯发

本发明属于发光材料，具体涉及一种铒元素和铟元素共掺杂氧化镓荧光粉及其制法和应用。

背景技术：

1、氧化镓(ga2o3)是一种超宽禁带氧化物半导体材料，在功率电子器件和光电信息领域具有巨大的应用前景，已成为当前国内外研究的热点。氧化镓有六种晶相，其中最稳定的相是β相、其次是ε和α相，作为最稳定的β相氧化镓具有晶体结构稳定、带隙宽、击穿电场高、耐辐射、热稳定性和化学稳定性好等优点，具有取代第三代半导体碳化硅的潜力，其优异的物理、化学以及电学和光学性能可以满足电子器件低能耗、高功率、集成化发展的新需求。此外，氧化镓是一种良好的可被稀土元素掺杂的基质材料，是稀土离子的理想宿主，因此可以通过控制稀土元素的掺杂量来制备不同发光波长的发光器件。

2、稀土元素掺杂氧化镓在温度传感器、薄膜电致发光显示器和紧凑型彩色显示器中的潜在应用引起了人们的关注，guo等人采用脉冲激光沉积技术制备了稀土铒离子(er3 )掺杂的ga2-xerxo3薄膜，在550nm处观察到绿色发光。与掺杂er3 离子的gan薄膜相比，ga2-xerxo3薄膜表现出较低的温度敏感性。目前，铒元素掺杂氧化镓的光致和电致发光性能研究还处于起步阶段，现有的铒离子掺杂的氧化镓材料普遍存在发光强度较弱，发光效率偏低的问题，难以满足实际应用要求，这使得增强稀土er3 离子掺杂氧化镓的发光性能显得尤为迫切。

技术实现思路

1、为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种铒元素和铟元素共掺杂氧化镓荧光粉。

2、本发明的另一目的在于提供上述铒元素和铟元素共掺杂氧化镓荧光粉的制备方法。采用此方法制备的荧光粉，对实验条件要求较低且操作简便，铟(in)元素作为敏化剂，增强了er的光致发光强度。所制备的粉末样品发光性能优异，强度大，效率高。

3、本发明的再一目的在于提供上述铒元素和铟元素共掺杂氧化镓荧光粉的应用。

4、本发明目的通过以下技术方案实现：

5、一种铒元素和铟元素共掺杂氧化镓荧光粉，其化学式为ga2-x-yerxinyo3，其中，ga2o3为基体，er为掺杂稀土元素，in为掺杂稀有元素，x取值范围为0.005～0.02；y取值范围为0.005～0.06。

6、优选地，x取值范围为0.01～0.02，y取值范围为0.03～0.04。

7、最优选地，x取值为0.015，y取值为0.035。

8、优选地，所述铒元素和铟元素共掺杂氧化镓荧光粉在激光波长为980nm、激光功率为100～400mw条件下可激发绿光和红光。

9、优选地，所述铒元素和铟元素共掺杂氧化镓荧光粉可吸收红外光，发射出波长在540～570nm和640～700nm范围的光。

10、上述铒元素和铟元素共掺杂氧化镓荧光粉的制备方法，包括以下步骤：

11、步骤一：称取氧化镓(ga2o3)粉末、氧化铒(er2o3)粉末、氧化铟(in2o3)粉末；

12、步骤二：将步骤一称好的粉末原料放入球磨罐中，加入液体介质，进行球磨混合；

13、步骤三：将步骤二球磨混合均匀的粉末烘干，于空气气氛中预烧；

14、步骤四：将上述预烧后的粉末再次进行球磨；

15、步骤五：将步骤四得到的粉末样品于1200～1250℃烧结4～16小时，冷却后得到铒元素和铟元素共掺杂的氧化镓荧光粉。

16、本发明采用氧化铒、氧化铟及氧化镓，利用固相反应法制得无杂相的光致发光性能优异的氧化镓基荧光粉，系统研究了烧结温度、烧结时间、er3 离子掺杂浓度对ga2-xerxo3的发光性能的影响，在获得最佳的烧结温度、烧结时间及er3 离子掺杂浓度的基础上引入in3 离子改善荧光粉的发光性能，将in3 离子引入晶格会导致晶体结构的改变和配位环境的变化。这些变化有效地减小了非辐射衰减过程，从而增强了发光性能。此外，in2o3的掺杂引入了晶格缺陷，在980nm激光激发下产生的一些电子会被晶格缺陷捕获，这些缺陷态中的电子随后转移给er3 离子，导致er3 离子的发光强度增强。

17、所述步骤一中氧化镓、氧化铒和氧化铟的物质的量之比根据化学式ga2-x-yerxinyo3及掺杂量x和y的值确定。例如当x＝0.015，y＝0.035时，氧化镓、氧化铒和氧化铟的物质的量之比为97.5:0.75:1.75。

18、所述步骤一中的氧化镓纯度优选为99.999％；氧化铒纯度优选为99.99％；氧化铟纯度优选为99.99％。

19、所述步骤二中的液体介质为无水乙醇和/或去离子水。

20、所述步骤二中球磨罐为玛瑙、不锈钢、尼龙、聚四氟乙烯或氧化铝球磨罐。

21、所述步骤三中粉末烘干后装入坩埚(优选为氧化铝坩埚)中，再放入马弗炉中预烧。

22、所述步骤二和步骤四所述球磨是在行星式球磨机中进行，行星式球磨机的转速为200-500r/min，球磨时间为5-10h。

23、所述步骤三中烘干温度为70-120℃，时间为180min；在烘箱中烘干，烘箱的升温速率在1～4℃/min。

24、所述步骤五包括：以2～4℃/min升温速率升至1200～1550℃。

25、所述步骤五中的烧结温度优选为1250℃，保温时间优选为8小时。

26、上述铒元素和铟元素共掺杂氧化镓荧光粉可用于制备绿色发光材料，具体可应用于光电子学、光通信、激光器和生物成像等领域中。

27、与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：

28、1、与现有er元素单掺杂的氧化镓荧光粉相比，本发明所提供的铒元素和铟元素共掺杂氧化镓荧光粉的光致绿光和红光发光强度分别提高了60倍和44倍，荧光粉的综合性能得到显著提升。其中er是发光中心，是激活剂，in用来提高发光强度，是敏化剂。

29、2、本发明提供的铒元素和铟元素共掺杂氧化镓荧光粉在绿光波段发光强度强，制备工艺简单且周期短，操作简单，适合大批量生产，所用材料容易获得，具有较大的应用前景。

30、3、本发明通过引入铟(in)离子增强铒(er)掺杂氧化镓的发光性能，还具有以下优势：1)增强发光强度：通过引入铟离子，555nm处发光强度最高提升60倍，这归因于铟离子掺杂减少了非辐射衰减过程，并引入了晶格缺陷增强了铟离子到铒离子的能量传递，使得发光强度显著提高。2)抑制非辐射过程：in掺杂可抑制非辐射过程，例如多能级跃迁和交叉杂化等，这些过程会导致能量损耗。通过限制这些非辐射过程，in增强er掺杂氧化镓材料可以提高光致发光强度。3)增大光子寿命：引入铟离子增大了ga1.985-yer0.015inyo3荧光粉的光子寿命，例如ga1.95er0.015in0.035o3荧光粉的绿光和红光的光子寿命较ga1.985er0.015o3荧光粉的绿光和红光的光子寿命分别增加了235％和271％，这一结果为铟离子和铒离子之间存在有效的能量传递提供了有力的证据。