Li+掺杂YPO4∶Dy3+荧光粉的诱导相变与发光性能优化

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0179

摘要/Abstract

摘要： 本文以水热法结合高温煅烧制备了一系列不同Li⁺掺杂浓度的YPO₄∶Dy³⁺荧光粉，系统研究了Li⁺共掺杂对YPO₄∶Dy³⁺荧光粉的结构、形貌和发光性能的影响。XRD结果表明，Li⁺掺杂促进了YPO₄·0.8H₂O从六方相到四方相的转变，且Li⁺可以取代Y³⁺的晶格位置或占据间隙位置。SEM结果显示，随着Li⁺掺杂浓度的增加，荧光粉形貌由六棱柱状向球形颗粒转变，同时平均粒径逐渐减小。通过荧光光谱分析，适量Li⁺掺杂能够显著提高YPO₄∶Dy³⁺荧光粉的发光强度，当Li⁺掺杂量为5%时，其发光强度达到最大值，约为未掺杂样品的2.3倍。同时，Li⁺掺杂还可以改善荧光粉的热稳定性。随着Li⁺掺杂量的增加（x=1%~7%），YPO₄∶5%Dy³⁺，xLi⁺荧光粉的CIE色度坐标值从（0.233， 0.283）逐渐变化至（0.238， 0.289）。研究结果表明，Li⁺共掺杂是调控YPO₄∶Dy³⁺荧光粉发光性能的有效手段，并为该荧光粉在白光LED领域的应用提供了理论依据和实验基础。

关键词: 磷酸钇; 碱金属; Dy³⁺掺杂; 相变调控; 发光性能

Abstract: A series of YPO₄∶Dy³⁺ phosphors with different Li⁺ doping concentrations were synthesized via a hydrothermal method combined with high-temperature calcination. The effects of Li⁺ co-doping on the structure， morphology and luminescence properties of YPO₄∶Dy³⁺ phosphors were systematically investigated. X-ray diffraction （XRD） results indicate that Li⁺ doping promotes the phase transition of YPO₄·0.8H₂O from hexagonal to tetragonal phase. Moreover， Li⁺ could either substitute Y³⁺ at lattice sites or occupy interstitial positions. Scanning electron microscopy （SEM） results show that with the increase of Li⁺ doping concentration， the morphology of the phosphor changes from hexagonal prism to spherical particles， and the average particle size gradually decreases. Fluorescence spectroscopy analysis reveals that appropriate Li⁺ doping can significantly enhance the luminescence intensity of YPO₄∶Dy³⁺ phosphors. When the Li⁺ doping amount is 5%， the luminescence intensity reaches the maximum value， which is approximately 2.3 times that of the undoped sample. Meanwhile， Li⁺ doping can also improve the thermal stability of the phosphor. With the increase of Li⁺ doping amount （x=1%~7%）， the CIE chromaticity coordinates of YPO₄∶5%Dy³⁺，xLi⁺ phosphors change gradually from （0.233， 0.283） to （0.238， 0.289）. The research results demonstrate that Li⁺ co-doping is an effective approach to regulate the luminescence properties of YPO₄∶Dy³⁺ phosphors， and provides theoretical basis and experimental foundation for their application in the field of white light-emitting diodes （LEDs）.

Key words: yttrium phosphate; alkali metal; Dy³⁺ doping; phase transition regulation; luminescence performance

中图分类号:

TQ422

詹畯伟, 阮勇奇, 陈志强, 温磊, 彭思艳, 杨流赛. Li⁺掺杂YPO₄∶Dy³⁺荧光粉的诱导相变与发光性能优化[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(12): 2146-2155.

ZHAN Junwei, RUAN Yongqi, CHEN Zhiqiang, WEN Lei, PENG Siyan, YANG Liusai. Induced Phase Transformation and Luminescence Performance Optimization of Li⁺ Doped YPO₄∶Dy³⁺ Phosphors[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2025, 54(12): 2146-2155.

图/表 12

图1 水热合成前驱体的XRD图谱

Fig.1 XRD pattern of hydrothermally synthesized precursor

图2 高温煅烧样品XRD图谱（a）与（200）晶面衍射峰放大图（b）

Fig.2 XRD patterns of the calcined samples （a） and enlarged view of the （200） diffraction peak （b）

表1 高温煅烧样品的物相比例、（200）晶面衍射峰2 θ 值、平均粒径、积分发射强度、寿命（ τ ）和CIE坐标

Table 1 Phase composition，（200） plane diffraction peak 2 θvalues， average particle size， integrated emission intensity， lifetime （ τ ）， and CIE coordinates of the calcined samples

Mole fraction of Li⁺/%	Phase composition/%		2θ/（°）	Size/nm	Emission intensity	τ/ms	CIE（x， y）
Mole fraction of Li⁺/%	Phase（h-YPO₄·0.8H₂O）	Phase（t-YPO₄）	2θ/（°）	Size/nm	Emission intensity	τ/ms	CIE（x， y）
0	37.07	62.93	26.06	600	43.8	0.534 ms	（0.229， 0.277）
1	19.06	80.94	26.10	490	62.2	0.532 ms	（0.233， 0.283）
3	0	100	26.14	430	72.3	0.526 ms	（0.235， 0.286）
5	0	100	25.94	270	100	0.514 ms	（0.236， 0.288）
7	0	100	25.86	120	83.2	0.513 ms	（0.238， 0.289）

表2 煅烧样品YPO4∶5%Dy3+，x%Li+的晶胞参数

Table 2 Lattice parameters of the calcined YPO4∶5%Dy3+，x%Li+samples

Mole fraction of Li⁺/%	a/Å	c/Å	c/a	V/Å³
JCPDS 74-2429	6.878	6.036	0.877 6	285.54
0	6.890 1（6）	6.018 9（7）	0.873 6	285.74（5）
1	6.876 1（7）	6.022 6（6）	0.875 9	284.75（6）
3	6.866 7（6）	6.025 7（4）	0.877 5	284.12（7）
5	6.869 9（5）	6.028 6（7）	0.877 5	284.52（7）
7	6.888 0（7）	6.036 5（6）	0.876 4	286.40（6）

图3 不同Li+掺杂浓度下YPO4∶Dy3+荧光粉的SEM照片，以及YPO4∶5%Dy3+，5%Li+的EDS图

Fig.3 SEM images of YPO4∶Dy3+ phosphors at different Li+ doping concentrations and EDS of YPO4∶5%Dy3+，5%Li+

图4 水热合成前驱体样品（a）与高温煅烧样品（b）的红外图谱

Fig.4 FT-IR spectra of the hydrothermally synthesized samples （a） and the calcined samples （b）

图5 YPO4∶5%Dy3+，5%Li+样品的荧光激发光谱与发射光谱

Fig.5 Excitation and emission spectra of the YPO4∶5%Dy3+，5%Li+ sample

图6 高温煅烧样品的荧光发射光谱（插图：荧光发射积分强度随Dy3+浓度的变化关系）

Fig.6 Emission spectra of the calcined samples （inset： variation of integrated emission intensity with Dy3+ concentration）

图7 YPO4∶5% Dy3+，5% Li+样品的荧光寿命曲线（a）与不同Li+掺杂浓度样品的荧光寿命图（b）

Fig.7 Fluorescence lifetime curve of the YPO4∶5% Dy3+，5% Li+ sample （a） and fluorescence lifetime diagram of samples with different Li+ doping concentrations （b）

表3 煅烧样品荧光发射强度随温度的变化值（298 K时设置为100%）和热活化能Ea

Table 3 Variation values of emission intensity of calcined samples with temperature （set to 100% at 298 K）， and thermal activation energy Ea

Temperature/K	Ratio of emission intensity/%
Temperature/K	x=0	x=5%	x=7%
E_a/eV	0.159	0.167	0.158
298	100	100	100
323	96.2	97.3	96.3
348	94.5	95.7	94.4
373	91.2	93.1	91.4
398	89.1	91.5	89.4
423	86.1	89.1	86.5
448	83.7	86.9	83.9
473	80.6	84.1	81.1

图8 不同温度与归一化强度的函数关系（a）和用于测定热活化能的ln（I0/IT-1）与1/（kBT）的关系图（b）

Fig.8 Relationship between normalized intensity and temperature （a） and the plot of ln（I0/IT-1） versus 1/（kBT） for the determination of thermal activation energy （b）

图9 YPO4∶5%Dy3+，5%Li+荧光粉的CIE图

Fig.9 CIE chromaticity diagram of the YPO4∶5%Dy3+，5%Li+ phosphor

参考文献 27

[1]	LI H H， WANG Y K， LIAO L S. Near-infrared luminescent materials incorporating rare earth/transition metal ions： from materials to applications［J］. Advanced Materials， 2024， 36（30）： 2403076.
[2]	LIN Q M， WU X Z， PENG J Q， et al. Near-unity internal quantum efficiency and high thermal stability of Sr₃MgGe₅O₁₄∶Cr³⁺ phosphor for plant growth［J］. Laser & Photonics Reviews， 2025， 19（10）： 2402047.
[3]	白　鑫，杨伟斌，熊飞兵，等. 碱金属离子共掺Sr₃Ga₂Ge₄O₁₄∶Dy³⁺发光性能研究［J］. 人工晶体学报， 2024， 53（1）： 97-106.
	BAI X， YANG W B， XIONG F B， et al. Luminescence performance of alkaline metal ion co-doped Sr₃Ga₂Ge₄O₁₄∶Dy³⁺ ［J］. Journal of Synthetic Crystals， 2024， 53（1）： 97-106 （in Chinese）.
[4]	孟晓燕，甘　欣，王春洋，等. CaMoO₄∶Dy³⁺/Sm³⁺白光荧光粉的设计、合成及发光性能研究［J］. 人工晶体学报， 2025， 54（4）： 663-673.
	MENG X Y， GAN X， WANG C Y， et al. Design， synthesis and luminescent properties of CaMoO₄∶Dy³⁺/Sm³⁺ white phosphors［J］. Journal of Synthetic Crystals， 2025， 54（4）： 663-673 （in Chinese）.
[5]	BEDYAL A K， KUMAR V， PRAKASH R， et al. A near-UV-converted LiMgBO₃∶Dy³⁺ nanophosphor： surface and spectral investigations［J］. Applied Surface Science， 2015， 329： 40-46.
[6]	LI C X， HOU Z Y， ZHANG C M， et al. Controlled synthesis of Ln³⁺ （Ln = Tb， Eu， Dy） and V⁵⁺ ion-doped YPO₄ nano-/ microstructures with tunable luminescent colors［J］. Chemistry of Materials， 2009， 21（19）： 4598-4607.
[7]	WU J X， LIU C L， JIA H L， et al. Optical properties， energy transfer and thermal stability of spherical nano-phosphor YPO₄∶Eu³⁺∶Sm³⁺ ［J］. Journal of Luminescence， 2022， 245： 118791.
[8]	LAI H， DU Y， ZHAO M， et al. CTAB assisted hydrothermal preparation of YPO₄∶Tb³⁺ with controlled morphology， structure and enhanced photoluminescence［J］. Materials Science and Engineering： B， 2014， 179： 66-70.
[9]	MA J F， CHEN Y L， WANG X， et al. Luminescent performance of Ca₂SnO₄∶Tb³⁺ phosphors with Li⁺ co-doping［J］. Optical Materials， 2018， 85： 86-90.
[10]	PARCHUR A K， NINGTHOUJAM R S. Preparation， microstructure and crystal structure studies of Li⁺ co-doped YPO₄∶Eu³⁺ ［J］. RSC Advances， 2012， 2（29）： 10854-10858.
[11]	ASGARANI M K， SAIDI A， ABBASI M H. Role of oxygen vacancy and grain boundary energy in stability of tetragonal and cubic pure zirconia powders［J］. Powder Metallurgy， 2011， 54（2）： 127-132.
[12]	WU D， YE X Y， LIU S B， et al. Structure and luminescence properties of Li⁺-doped （ScLu）VO₄∶Eu³⁺ red phosphors［J］. Journal of the Chinese Ceramic Society， 2018， 46 （01）： 128-135.
[13]	袁　强，甄安心，罗　棋，等. Li⁺掺杂对Ca（W， Mo）O₄∶Eu³⁺红色荧光粉结构及发光性能的影响［J］. 中国钨业， 2018， 33（2）： 53-58.
	YUAN Q， ZHEN A X， LUO Q， et al. Effect of Li⁺ doped on the structure and luminescence properties of Ca（W， Mo）O₄∶Eu³⁺ phosphors［J］. China Tungsten Industry， 2018， 33（2）： 53-58 （in Chinese）.
[14]	PETROVIĆ Đ， JAKOVLJEVIĆ I， JOKSOVIĆ L， et al. Study of the hydrolytic properties of the trivalent Y-ion in chloride medium［J］. Polyhedron， 2016， 105： 1-11.
[15]	SONG J G， ZHANG L M， LI J G， et al. Thermodynamic and kinetic analyses of synthesizing ZrB₂@Al（OH）_3- _y （OH）₃ core-shell composite particles［J］. Surface Review and Letters， 2007， 14（1）： 117-122.
[16]	WU H， XU H F， SU Q， et al. Size- and shape-tailored hydrothermal synthesis of YVO₄ crystals in ultra-wide pH range conditions［J］. Journal of Materials Chemistry， 2003， 13（5）： 1223-1228.
[17]	WANG F， YU L S， ZHU Y F， et al. Defect control and optical performance of yttrium orthovanadate nanocrystals via a facile pH-sensitive synthesis［J］. Journal of Alloys and Compounds， 2023， 968： 172259.
[18]	HOVINGTON P， TIMOSHEVSKII V， BURGESS S， et al. Towards Li quantification at high spatial resolution using EDS［J］. Microscopy and Microanalysis， 2016， 22（S3）： 84-85.
[19]	ZHAN J W， PENG S Y， ZHU Y X， et al. Phase transitions and optical properties of Tb³⁺ activated NaY（WO₄）₂ phosphors［J］. Ceramics International， 2024， 50（3）： 4896-4906.
[20]	孟晓燕，廖　云，张丽蓉，等. GdPO₄∶Tb³⁺荧光粉的制备及发光性能研究［J］. 人工晶体学报， 2024， 53（1）： 107-114.
	MENG X Y， LIAO Y， ZHANG L R， et al. Preparation and luminescent properties of GdPO₄∶Tb³⁺ phosphors［J］. Journal of Synthetic Crystals， 2024， 53（1）： 107-114 （in Chinese）.
[21]	赵　炎，蒋小康，高　峰，等. Dy³⁺掺杂Gd₂MgTiO₆白色荧光粉的制备及发光性能研究［J］. 人工晶体学报， 2023， 52（11）： 2050-2056.
	ZHAO Y， JIANG X K， GAO F， et al. Preparation and luminescence properties of Dy³⁺ doped Gd₂MgTiO₆ white phosphor［J］. Journal of Synthetic Crystals， 2023， 52（11）： 2050-2056 （in Chinese）.
[22]	MAMATHA G R， RADHA KRUSHNA B R， MALLESHAPPA J， et al. Investigating the influence of mono-， di-， and trivalent co-dopants （Li⁺， Na⁺， K⁺， Ca²⁺， Bi³⁺） on the photoluminescent properties and their prospective role in data security applications for SrAl₂O₄∶Tb³⁺ nanophosphors synthesized via an eco-friendly combustion method［J］. Materials Science and Engineering： B， 2024， 299： 117008.
[23]	YANG Y Y， YAN Y L， FAN C J， et al. Emission brightness and concentration quenching threshold of GdVO₄∶Eu³⁺ nanophosphors co-doped with alkali metal ions［J］. ChemistrySelect， 2021， 6（47）： 13452-13460.
[24]	REDDY L. A review of the efficiency of white light （or other） emissions in singly and co-doped Dy³⁺ ions in different host （phosphate， silicate， aluminate） materials［J］. Journal of Fluorescence， 2023， 33（6）： 2181-2192.
[25]	LU Z， SUN D S， LYU Z Y， et al. Blue Ca₄MgAl₂Si₃O₁₄∶Ce³⁺， Li⁺ phosphor with excellent performance for human-centered green plant growth lighting［J］. Materials Today Chemistry， 2023， 34： 101813.
[26]	SONALI， CHAUHAN V， PANDEY P C， et al. Role of sensitizer ions in enhancing the luminescence intensity of Eu³⁺-activated NaLa（MoO₄）₂ phosphors and judd-ofelt analysis for solid-state lighting and temperature-sensing applications［J］. ACS Applied Optical Materials， 2024， 2（1）： 41-56.
[27]	袁高峰，崔瑞瑞，张　鑫，等. Li⁺掺杂浓度对Sr₃ZnNb₂O₉∶Eu³⁺荧光粉发光特性的影响［J］. 硅酸盐通报， 2021， 40（12）： 4128-4136.
	YUAN G F， CUI R R， ZHANG X， et al. Effect of Li⁺ doping concentration on luminescence characteristics of Sr₃ZnNb₂O₉∶Eu³⁺ phosphor［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2021， 40（12）： 4128-4136 （in Chinese）.

Li⁺掺杂YPO₄∶Dy³⁺荧光粉的诱导相变与发光性能优化

Induced Phase Transformation and Luminescence Performance Optimization of Li⁺ Doped YPO₄∶Dy³⁺ Phosphors

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[1]	韩懿博, 吉旭, 井群, 朱宣恺, 艾孜再姆·吾布力塔依尔, 赵文豪, 曹鑫佳. YPO₄双折射率增益机制和晶格工程调控策略研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(9): 1547-1557.
[2]	孟晓燕, 甘欣, 王春洋, 朱瑶贤, 杨流赛, 吴丽丹, 董洪霞. CaMoO₄：Dy³⁺/Sm³⁺白光荧光粉的设计、合成及发光性能研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(4): 663-673.
[3]	舒建, 李胜男, 姜义, 贾振国. Dy³⁺掺杂SrAl₂O₄：Tb³⁺余辉发光荧光粉余辉性能优化[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(4): 652-662.
[4]	刘云云, 黄传鑫, 王猛, 王燕. Dy³⁺/Eu³⁺双掺杂CaLaGa₃O₇颜色可调荧光粉的制备与发光性能[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(9): 1560-1567.
[5]	伍仕停, 余春燕, 方佳庆, 徐阳, 翟光美. ZnSe基蓝光量子点的中间壳层结构调控及其发光性能研究[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(7): 1160-1169.
[6]	张博, 王云杰, 齐亚杰, 丁家福, 和志豪, 苏欣. 碱金属钼酸盐结构与性能关系的第一性原理研究[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(6): 999-1007.
[7]	陈金润, 陈梦玉, 李子璇, 李微, 楚楚, 曹秀哲, 翟永清. NaCa₂Mg₂(VO₄)₃∶Eu³⁺颜色可调荧光粉的熔盐法合成及其发光性能研究[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(1): 90-96.
[8]	孟晓燕, 廖云, 张丽蓉, 张雨蒙, 吴丽丹, 杨流赛. GdPO₄∶Tb³⁺荧光粉的制备及发光性能研究[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(1): 107-114.
[9]	王无敌, 王庆国, 薛艳艳, 唐慧丽, 徐子寒, 张晨波, 房前成, 吴锋, 罗平, 徐晓东, 苏良碧, 李岩, 韩建峰, 逯占文, 徐军. Pr³⁺掺杂碱土混合氟化物激光晶体的生长与发光性能研究[J]. 人工晶体学报, 2023, 52(7): 1258-1269.
[10]	尹子龙, 冯光文, 陈恒雷. 不同合成方法对LiMgPO₄∶Dy发光性能的影响[J]. 人工晶体学报, 2023, 52(2): 315-321.
[11]	蒋小康, 张王曦月, 高峰, 周恒为. Dy³⁺掺杂Y₂MgTiO₆荧光粉的制备及发光性质研究[J]. 人工晶体学报, 2023, 52(10): 1809-1815.
[12]	陆琴, 方传利, 王游, 吴冬妮, 王誉洁, 娄成龙. LaNbO₄∶Dy³⁺,Ca²⁺荧光粉的制备及发光性能研究[J]. 人工晶体学报, 2023, 52(10): 1816-1821.
[13]	张文谦, 孙威, 曹铎, 牛亚杰, 吴文荣, 王东飞. 一种钡金属有机框架材料的合成及其晶体结构和发光性能的研究[J]. 人工晶体学报, 2022, 51(8): 1370-1377.
[14]	秦英恋, 秦建芳. 基于构象灵活的N-杂环配体构筑的3D拟卤化亚铜配合物的合成、结构和性质研究[J]. 人工晶体学报, 2022, 51(6): 1059-1068.
[15]	胡方方, 李顺, 蔡思翔, 姜宏, 马艳平. SAPO-34提升铁钒基催化剂抗碱性能研究[J]. 人工晶体学报, 2022, 51(3): 493-501.