CN1129950C - 荧光材料和使用这种荧光材料的荧光屏和放电灯 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种荧光材料，它包括由铒、钆和选自稀土元素和/或过渡金属的活化剂。这种荧光材料被波长足够短的辐射激发时，可以起到量子切割器的作用，其量子效率在100%以上。

Description

荧光材料和使用这种荧光材料的荧光屏和放电灯

技术领域

本发明涉及一种具有由一种无机晶体化合物组成的基本晶格的荧光材料，这种材料包括至少1mol％钆、至少0.1mol％的一种选自过渡金属和稀土元素的组的活化剂和至少0.1mol％的一种增感剂。

背景技术

从荷兰专利申请186707可以知道一种此类的荧光材料。在已知的荧光材料中，增感剂选自铅、锑和铋组成的组，活化剂选自锰、铽和镝组成的组。无机晶体化合物以及增感剂和钆的浓度是这样选择的，即荧光材料在不含活化剂而只由增感剂和钆组成时，在大约254nm波长的紫外线的辐照下，该材料具有钆的在310nm至315nm的范围的特征线辐射。换言之，荧光材料处于激发状态时，出现能量从增感剂到钆的转移。如同在已知荧光材料中那样，如果荧光材料除增感剂和钆之外还含有活化剂，则即使在活化剂浓度相对低的情况下，也出现能量从钆到活化剂的有效转移。这种低浓度的活化剂可以使荧光材料的成本较低。此外，在这种低浓度的活化剂的情况下，较少浓度猝熄，从而可以获得较大的光通量。但已知荧光材料有这样的缺点，即对于各激发态紫外线光子只产生一个可见光子，因而量子效率受到限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有相对高的量子效率的荧光材料。

因此，根据本发明的一种具有由一种无机晶体化合物组成的基本晶格的荧光材料，所述材料包括：至少1mol％钆，至少0.1mol％的一种选自过渡金属和稀土元素的组的活化剂，和至少0.1mol％的一种增感剂，其特征在于，所述增感剂是铒并且所述铒的浓度选自0.1mol％至5mol％的范围，其中述活化剂包括一种或多种选自锰、钐、铕、钆、铽、镝、钬和铥组成的组的元素，其中所述活化剂的浓度选自0.1mol％至1mol％的范围，如果所述荧光材料只是增光而不被活化，则用波长范围在100nm至195nm的紫外线激发时，所述荧光材料具有钆的310nm至315nm的范围的特征线发射。

若荧光材料不包含任何活化剂而只包含增感剂和钆，这意味着在激发状态时出现能量从铒到钆的转移。

已发现，如果根据本发明的荧光材料用大约150nm的紫外线激发时，不仅增感剂产生可见光，活化剂也产生可见光，这是由于荧光材料中存在一部分是Er³⁺离子的结果，这些离子吸紫外线光子之后按两个步骤转移激发能量。激发辐射激发Er³⁺离子的²F_7/2能级，或者4f¹⁰5d能级。借助于谐振能量的转移，被Er³⁺离子吸收的能量的一部分转移到钆，使得位于Er³⁺离子周围的Gd³⁺离子的⁶D_j能级或⁶I_j能级受到激发。Er³⁺离子的剩余能量主要是在Er³⁺离子从⁴S_3/2能级回落到基态的过程中转移，同时发射出绿光子。处于Gd³⁺离子的能量借助经许多Gd³⁺离子的能量迁移而传递到活化剂离子。能量转移到活化剂离子，接着活化剂离子回落到基态，同时发射出可见光子。由于至少一部分激发态光子转换成两个可见光子，因而采用根据本发明的荧光材料可使量子效率达到100％以上。由于钆的有效的能量转移，因而增感剂和活化剂的浓度可以这样地选择，即使增感剂离子在空间中与活化剂离子分开，从而避免了因增感剂-活化剂对中的交叉弛豫而引起的猝熄，因而量子效率较高。

已发现，对于根据本发明的荧光材料，凡是活化剂由一种或多种选自锰、钐、铕、钆、铽、镝、钬和铥组成的组的元素的，都能取得令人满意的结果。

铒的浓度最好在0.1mol％至5mol％的范围，活化剂的浓度最好在0.1mol％至1mol％的范围。

根据本发明的荧光材料，除铒、钆和一种或多种活化剂之外，还包含至少一种选自钇、钪和镧组成的组的元素，也能取得令人满意的结果。这三种元素较便宜，因此采用一种或多种这些元素可以降低荧光材料的成本。还发现，荧光材料的吸收带的峰值位置受到这些元素的影响，因而加入一种或多种这些元素可以使荧光材料的吸收带与激发源的发射带良好地重叠。此外还发现，氟会影响Er³⁺离子4f¹⁰5d能级的位置，从而使得荧光材料达到良好的吸收表现。

采用根据本发明的荧光材料，其基本晶格由LiGdF₄构成，其中可以采用至少一种选自钇、钪和镧组成的组的元素来部分地代替钆，也取得令人满意的结果。

根据本发明的荧光材料适用于放电灯特别是配备有充有氙气的气密灯壳的放电灯的荧光屏。氙放电产生较多的紫外线辐射，其波长范围非常适宜激发根据本发明的荧光材料。

附图说明

图1是根据本发明的荧光材料发射光谱。

具体实施方式

从下面说明的实施例可以清楚理解本发明的上述和其它方面。

将0.140克的ErF₃、8.754克的GdF₃、0.027克的TbF₃和1.079克的LiF在研钵中干燥地混合。接着将粉料放入高频加热的布里奇曼(Bridgeman)装置中连续加热到溶点以上并慢慢冷却。用X线衍射法检测粉料的纯度：得出的粉料呈现为结晶纯。利用适宜于真空紫外线条件下进行测量的光谱荧光计对粉料进行光学测定。在分别用145nm和273nm波长的辐射进行激发的情况下，得出图1所示的发射光谱。发射光的波长以nm在横坐标轴上描出。辐射强度以任意单位(arbitrary units)在纵坐标轴上描出。在用波长为145nm的辐射激发的情况下，Er³⁺离子从41f¹¹态激发至4f¹⁰5d¹态。粉料的发射光谱在蓝色光谱区有若干线条，这表明发射是从Tb³⁺离子的⁵D₃能级进行的。此外，在发射光谱的绿色范围还可以看到若干对应于Tb³⁺离子的从⁵D₄能级的发射的线条。在发射光谱中还可以看到若干线条是Er³⁺的从⁴S_3/2能级的发射产生的。在紫外光谱中，在311nm处可以得到Gd³⁺的发射。此发射光谱表明，能量转移到Gd³⁺离子时，激发态的Er³⁺离子从4f¹⁰5d能级回落到⁴S_3/2能级或到此能级之上的一个能级。在后者的情况下，对于⁴S_3/2能级有快速弛豫现象。Er³⁺离子从⁴S_3/2能级回落到基态，同时发射出绿色光子。处于Er³⁺离子的能借助于许多Gd³⁺离子的能量迁移而传递给Tb³⁺离子。Tb³⁺离子吸收能量，接着回落到基态，同时发射出绿光。

在借助波长273nm的辐射进行激发的情况下，Er³⁺离子的4f¹⁰5d能级不被激发。Gd³⁺离子从4f⁷(⁸S_7/2)态激发至4f⁷(⁶I_J)态。接着，能量传递给Tb，小部分传递给Er。发射光谱的线条与借助145nm波长的辐射激发时的一样。所测得的Er和Tb在此光谱中的不同发射的强度比如同借助145nm波长的辐射激发的那样，表示在Er³⁺离子的4f¹⁰5d能级不被激发并且能量不从Er传递至Tb的情况下的比值。这可从Er(⁴S_3/2)在145nm的激发态相对于145nm激发态的增加量而计算出来，Er离子在145nm激发态的百分比只是传递给Gd的能量的一部分，从而使其回落至⁴S_3/2能级或其上的一个能级。这大致是所使用的LiGdF₄晶格的30％。

Claims (7)

1.一种具有由一种无机晶体化合物组成的基本晶格的荧光材料，所述材料包括：

至少1mol％钆，

至少0.1mol％的一种选自过渡金属和稀土元素的组的活化剂，和

至少0.1mol％的一种增感剂，其特征在于，所述增感剂是铒并且所述铒的浓度选自0.1mol％至5mol％的范围，其中述活化剂包括一种或多种选自锰、钐、铕、钆、铽、镝、钬和铥组成的组的元素，其中所述活化剂的浓度选自0.1mol％至1mol％的范围，如果所述荧光材料只包括增感剂而不包括活化剂，则用波长范围在100nm至195nm的紫外线激发时，所述荧光材料具有钆的310nm至315nm的范围的特征线发射。

2.根据权利要求1所述的荧光材料，其特征在于，所述材料还包括至少一种选自钇、钪和镧组成的组的元素。

3.根据权利要求1或2所述的荧光材料，其特征在于，所述材料包含氟。

4.根据权利要求1所述的荧光材料，其特征在于，所述基本晶格由LiGdF₄构成，其中钆可以部分地被至少一种选自钇、钪和镧组成的组的元素代替。

5.一种荧光屏，它包含一种具有由一种无机晶体化合物组成的基本晶格的荧光材料，所述材料包括：

至少1mol％钆，

至少0.1mol％的一种选自过渡金属和稀土元素的组的活化剂，和

至少0.1mol％的一种增感剂，其特征在于，所述增感剂是铒并且所述铒的浓度选自0.1mol％至5mol％的范围，其中述活化剂包括一种或多种选自锰、钐、铕、钆、铽、镝、钬和铥组成的组的元素，其中所述活化剂的浓度选自0.1mol％至1mol％的范围，如果所述荧光材料只包括增感剂而不包括活化剂，则用波长范围在100nm至195nm的紫外线激发时，所述荧光材料具有钆的310nm至315nm的范围的特征线发射。

 6.一种放电灯，它配备有一种具有由一种无机晶体化合物组成的基本晶格的荧光材料，所述材料包括：

至少1mol％钆，

至少0.1mol％的一种选自过渡金属和稀土元素的组的活化剂，和

至少0.1mol％的一种增感剂，其特征在于，所述增感剂是铒并且所述铒的浓度选自0.1mol％至5mol％的范围，其中述活化剂包括一种或多种选自锰、钐、铕、钆、铽、镝、钬和铥组的组的元素，其中所述活化剂的浓度选自0.1mol％至1mol％的范围，如果所述荧光材料只包括增感剂而不包括活化剂，则用波长范围在100nm至195nm的紫外线激发时，所述荧光材料具有钆的310nm至315nm的范围的特征线发射。

7.根据权利要求6所述的放电灯，其特征在于，它配备有一个充有氙气的气密灯壳。

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