pH值和Eu3+浓度对Y2(WO4)3:Eu3+材料三维层次结构及其发光性能的显著影响

《Journal of Luminescence》：Strong interaction of pH and Eu3+ concentration on the 3D hierarchical architectures and enhanced luminescent properties of Y 2(WO 4) 3:Eu3+

Y?(WO?)?:Eu3?磷光体通过水热法合成，探究pH（3,7,10）和Eu3?浓度（4,6,8 at.%）对结构、形貌及发光性能的影响。XRD显示单斜结构，pH=3时结晶度最优。SEM表明pH=3时形成3D微球（纳米棒组成），其他pH下结构崩塌。PL光谱显示Eu3?的613 nm红发射随pH=3和Eu浓度升高而增强，最高色纯度94.31%（CCT 2546 K）。ANOVA分析表明pH与Eu3?浓度交互作用贡献87.2%，显著影响发光强度。该材料有望用于白光LED。

　　本研究探讨了在不同pH值（3、7和10）和铕（Eu3?）掺杂浓度（4、6和8原子百分比）条件下，通过水热法合成的Eu3?掺杂Y?(WO?)?粉末的结构、形貌和发光性能。实验采用32因子设计，旨在找到最佳合成条件，以实现Y?(WO?)?:Eu3?粉末的最高红光发射强度。研究结果显示，X射线衍射（XRD）分析确认了Y?(WO?)?粉末具有单斜晶系结构，其晶粒尺寸在14至22纳米之间。傅里叶变换红外光谱（FTIR）则识别了WO?基团在1000-500 cm?1范围内的特征振动峰，表明这些基团在材料中存在并保持稳定。

扫描电子显微镜（SEM）图像揭示了随着pH值和Eu3?浓度的增加，材料的形貌发生显著变化。在pH = 3的条件下，观察到了由二维块组成的三维微球状结构，这种结构在不同Eu3?浓度下保持稳定，表明pH = 3有助于形成均匀且有序的结构。然而，当pH值上升至7或10时，材料的形貌逐渐由规则的结构转变为不规则的颗粒，特别是在较高Eu3?浓度下，这种转变更加明显。这些形貌变化对发光性能产生了重要影响，其中具有三维结构的样品显示出最高的红光发射强度。

发光光谱分析显示，Eu3?的发射峰具有显著的强度依赖性，且主要受pH值和Eu3?浓度的调控。在pH = 3且Eu3?浓度为8原子百分比的样品中，红光发射强度达到最大值，而pH = 7和10下的样品则在较低的Eu3?浓度（4原子百分比）时表现出最强的红光发射。这表明，Eu3?浓度与pH值之间存在显著的相互作用，这种相互作用对材料的发光性能具有决定性影响。通过方差分析（ANOVA），研究发现pH与Eu3?浓度之间的相互作用贡献了总变化的87.2%，其次是pH（9.3%）和Eu3?浓度（3%）。所有因素的p值均为0.0，表明它们在95%的置信水平下具有统计学意义。

进一步分析表明，Eu3?在Y?(WO?)?基质中的发光特性与其所处的局部环境密切相关。Eu3?的4f壳层电子跃迁是其发光性能的核心，这些跃迁对材料的结构和形貌非常敏感。例如，pH = 3且Eu3?浓度为8原子百分比的样品表现出高纯度的红光发射，其CIE 1931色坐标接近红光区域，且色纯度高达94.31%，表明其具有高度饱和的红光发射能力。此外，该样品的色温（CCT）为2546 K，属于温暖的红光发射。相比之下，pH = 7和pH = 10的样品在高Eu3?浓度下，其发光强度下降，这可能与结构破坏和浓度淬灭效应有关。

在光谱分析中，还观察到了一个较宽的蓝光发射带，中心波长位于255 nm附近，这一带与WO?基团的电荷转移（CT）过程相关。随着Eu3?浓度的增加，蓝光发射带的强度逐渐减弱，这表明Eu3?的掺杂有效地促进了从WO?基团到Eu3?的能级转移，从而降低了材料的本征蓝光发射。这种现象在pH = 3的样品中尤为明显，表明在酸性条件下，Eu3?的掺杂对蓝光的抑制作用更为显著。

为了进一步验证这些结论，研究还对不同合成条件下的样品进行了色坐标分析，发现其在CIE 1931色图中的位置呈现出不同的色彩特性。例如，pH = 3且Eu3?浓度为8原子百分比的样品表现出强烈的红光发射，而pH = 7和pH = 10的样品在较低的Eu3?浓度下则展现出更高的红光发射强度。这种变化表明，pH值和Eu3?浓度的协同作用在调控材料的发光性能方面起着关键作用。此外，通过Fisher最小显著差异（LSD）检验，发现pH = 3、Eu3?浓度为8原子百分比的样品具有最高的平均发光强度，而pH = 3、Eu3?浓度为4原子百分比以及pH = 10、Eu3?浓度为8原子百分比的样品则表现出较低的发光强度，这进一步支持了pH与Eu3?浓度之间的强相互作用。

本研究的发现对于开发用于白光发光二极管（WLEDs）的红色发光材料具有重要意义。Y?(WO?)?:Eu3?作为一种潜在的发光材料，其在不同合成条件下表现出多样的发光特性，能够实现从暖光到冷光的调节，适用于多种照明和显示技术。此外，该研究还强调了水热法在合成具有特定形貌和结构的材料方面的灵活性和高效性，为未来开发其他发光材料提供了有价值的参考。

总的来说，本研究通过系统地调控pH值和Eu3?浓度，成功合成了具有不同发光特性的Y?(WO?)?:Eu3?粉末。研究不仅揭示了合成参数对材料性能的深远影响，还展示了因子设计在优化材料发光性能方面的强大能力。这些成果为推进新型发光材料的开发提供了坚实的理论基础和技术支持，同时也为实现高效、稳定的固态照明和显示技术开辟了新的方向。