Bi3+,Eu3+共掺MgY2Si3O10可调谐发光特性研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0027

摘要/Abstract

摘要： 针对近紫外激发型白光发光二极管（WLED）对高显色性、低色温单基质荧光粉的迫切需求，本研究提出一种基于MgY₂Si₃O₁₀基质、Bi³⁺与Eu³⁺共掺杂的新型颜色可调荧光粉体系。采用高温固相法成功合成了系列MgY₂Si₃O₁₀∶0.02Bi³⁺，mEu³⁺（m=0~0.22）样品，系统表征了其物相结构与发光特性。结果表明，Bi³⁺在基质中占据两种晶格格位，在344 nm激发下呈现双峰宽带发射，Eu³⁺则呈现典型的红光发射。通过光谱重叠分析与荧光寿命测试，证实了Bi³⁺向Eu³⁺存在高效的能量传递，其传递效率随Eu³⁺掺杂浓度增加最高可达约65%。基于浓度猝灭模型计算得到临界能量传递距离R_C≈13.2 ?，确定能量传递机制主要为电偶极-电四极（d-q）相互作用。通过调节Eu³⁺掺杂浓度，成功实现了发光颜色从蓝光经白光到红光的连续可调，其中白光发射色度坐标为（0.333，0.306），相关色温为5 419 K，显色指数约为85.6，且该体系表现出良好的热稳定性。本研究为开发高性能、颜色可调的WLED荧光材料提供了系统的实验与理论依据。

关键词: WLED; Bi³⁺，Eu³⁺共掺; 高温固相法; 能量传递; 颜色可调; 热稳定性

Abstract: Addressing the urgent demand for high color rendering index and low color temperature single-phase phosphor for near-ultraviolet-excited white light emitting diode （WLED）， this study proposed a novel color-tunable phosphor system based on MgY₂Si₃O₁₀ host co-doped with Bi³⁺and Eu³⁺. A series of MgY₂Si₃O₁₀∶0.02Bi³⁺， mEu³⁺ （m=0~0.22） samples were successfully synthesized via the high-temperature solid-state method. Their phase structure and luminescence properties were systematically characterized. The results indicate that Bi³⁺ occupies two distinct crystallographic sites in the host lattice， exhibiting a dual-peak broad-band emission under 344 nm excitation， while Eu³⁺ displays characteristic red emission. Through spectral overlap analysis and fluorescence lifetime test， it is confirmed that there is efficient energy transfer （ET） from Bi³⁺ to Eu³⁺， with its efficiency increasing with Eu³⁺ doping concentration and reaching a maximum of approximately 65%. The critical energy transfer distance （R_C） is calculated to be about 13.2 ? based on the concentration quenching model and the primary ET mechanism is electric dipole-electric quadrupole （d-q） interaction. By adjusting the Eu³⁺ doping concentration， continuous tuning of the emission color is successfully achieved， ranging from blue through white to red. The white emission exhibits chromaticity coordinates of （0.333，0.306）， a correlated color temperature （CCT） of 5 419 K， a general color rendering index （R_a） of approximately 85.6， as well as good thermal stability. This study provides systematic experimental and theoretical foundations for the development of high-performance， color-tunable phosphor materials for WLED applications.

Key words: WLED; Bi³⁺ and Eu³⁺ co-doping; high-temperature solid-state method; energy transfer; color tunability; thermal stability

中图分类号:

TQ422

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图/表 11

图1 MgY2Si3O10∶0.02Bi3+，mEu3+荧光粉的XRD图谱

Fig.1 XRD patterns of MgY2Si3O10∶0.02Bi3+，mEu3+ phosphors

图2 MgY2Si3O10∶0.14Eu3+荧光粉的PLE光谱与PL光谱

Fig.2 PLE and PL spectra of MgY2Si3O10∶0.14Eu3+ phosphors

图3 MgY2Si3O10∶0.02Bi3+荧光粉的PLE和PL光谱。（a）λex=370 nm， λem=411 nm；（b）λex=344 nm， λem=490 nm

Fig.3 PLE and PL spectra of MgY2Si3O10∶0.02Bi3+ phosphor. （a） λex=370 nm， λem=411 nm；（b） λex=344 nm， λem=490 nm

图4 MgY2Si3O10∶0.14Eu3+荧光粉的PLE光谱与MgY2Si3O10∶0.02Bi3+荧光粉的PL光谱

Fig.4 PLE spectrum of MgY2Si3O10∶0.14Eu3+ phosphor and PL spectrum of MgY2Si3O10∶0.02Bi3+ phosphor

图5 MgY2Si3O10∶0.02Bi3+，mEu3+荧光粉的PL光谱

Fig. 5 PL spectra of MgY2Si3O10∶0.02Bi3+， mEu3+ phosphors

图6 344 nm激发下MgY2Si3O10∶0.02Bi3+，mEu3+荧光粉在490 nm处的荧光衰减曲线

Fig.6 Fluorescence decay curves of MgY2Si3O10∶0.02Bi3+，mEu3+ phosphors monitored at 490 nm under 344 nm excitation

图7 370 nm激发下MgY2Si3O10∶0.02Bi3+，mEu3+荧光粉在411 nm处的荧光衰减曲线

Fig.7 Fluorescence decay curves of MgY2Si3O10∶0.02Bi3+， mEu3+ phosphors monitored at 411 nm under 370 nm excitation

图8 MgY2Si3O10∶0.02Bi3+，mEu3+荧光粉的IS0/IS与Cn/3的拟合曲线

Fig.8 Fitting curves of IS0/ISversus Cn/3 for MgY2Si3O10∶0.02Bi3+，mEu3+ phosphors

图9 MgY2Si3O10∶0.02Bi3+，mEu3+荧光粉的CIE色度图

Fig.9 CIE chromaticity diagram of MgY2Si3O10∶0.02Bi3+，mEu3+ phosphors

图10 MgY2Si3O10∶0.02Bi3+，0.14Eu3+荧光粉变温发射光谱（a）与热激活能拟合曲线（b）

Fig.10 Temperature-dependent emission spectra （a） and thermal activation energy fitting curve （b） of MgY2Si3O10∶0.02Bi3+，0.14Eu3+ phosphors

图11 MgY2Si3O10∶0.02Bi3+， 0.14Eu3+荧光粉的绝对量子效率光谱

Fig.11 Absolute quantum efficiency spectra of MgY2Si3O10∶0.02Bi3+， 0.14Eu3+ phosphors

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Bi³⁺,Eu³⁺共掺MgY₂Si₃O₁₀可调谐发光特性研究

Tunable Luminescence Properties of Bi³⁺ and Eu³⁺ Co-Doped MgY₂Si₃O₁₀

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