Ti掺杂MgAl₂O₄纳米荧光粉表面缺陷及其在白光发射中的作用
摘要
采用低温燃烧法制备Ti掺杂MgAl₂O₄纳米荧光粉,展现明亮白光发射。高分辨球差电镜(STEM)成像直接可视化了表面外禀肖特基缺陷——铝空位(V_Al''')和取代铝位的Ti⁴⁺离子(Ti_Al⁺)。密度泛函理论(DFT)计算证实缺陷对(Ti_Al⁺–V_Al''')²在能量上稳定,为纳米尺度材料中观察到的蓝移白光提供清晰微观解释。
背景
从块体到纳米尺度的转变深刻改变力学、光学和电学性能,主要归因于尺寸诱导应变和非平衡表面结构的普遍性。在纳米荧光粉中,量子限域和表面相关缺陷化学可用于调控发射特性。掺杂剂氧化态及其晶体学位置强烈影响荧光粉性能;在纳米颗粒中,掺杂剂常占据块体晶体不可及的表面位点,导致独特发光行为。
纯MgAl₂O₄含本征Mg²⁺空位(V_Mg'')产生720 nm红光发射。Ti掺杂以Ti⁴⁺取代Al位,抑制红光带并从单晶产生蓝光发射。然而,我们早期研究1300 °C热处理的Ti掺杂微米级MgAl₂O₄粉末显示白光发射,归因于Ti³⁺和Ti⁴⁺同时占据Al和Mg位。本工作可视化Ti掺杂MgAl₂O₄纳米粉末表面外禀肖特基缺陷,并将其与纳米与微米级样品发射差异关联。
方法
前驱体硝酸镁·6H₂O(2.46 g)、硝酸铝·9H₂O(7.246 g)、尿素(5.231 g)溶于去离子水。Ti氧乙酰丙酮酸酯(0.1 g)提供2 mol% Ti掺杂。混合物搅拌、热板蒸发,空气中500 °C煅烧1 h制得Ti掺杂MgAl₂O₄纳米荧光粉。
X射线衍射(Rigaku XRD)确认相纯度。光致发光(PL)谱用PSI PL Darsa pro-5000光谱仪记录,氙灯260和360 nm激发。高分辨透射电镜(TEM,JEOL JEM-2100F)观察形貌尺寸。高分辨扫描透射电镜(HR-STEM,JEOL JEM-2100F)可视化铝空位和Ti掺杂剂。
第一性原理密度泛函理论(DFT)计算采用Perdew-Burke-Ernzerhof GGA泛函和PAW赝势(VASP)。500 eV平面波截断、10⁻⁵ eV自洽标准。计算各种掺杂-空位构型缺陷形成能和结合能评估热力学稳定性。构建4×1超胞含2×1真空板评估(100)面表面能,分析Ti位置对表面形成能影响。
结果与讨论
图1显示Ti掺杂MgAl₂O₄纳米荧光粉XRD图谱,证实500 °C成相。宽化衍射峰指示亚20 nm晶粒(图1b),对比前期研究1300 °C制备的高结晶微米级粉末。
光致发光谱(图2)显示纳米(500 °C)和微米(1300 °C)样品260 nm激发下均呈白光发射。纳米粉末显示轻微蓝移,归因于纳米结构中Ti⁴⁺占据Al位比例较高,抑制微米级材料中存在的红光和绿光通道。
HR-STEM成像(图3)提供表面缺陷直接证据。图3a中晶格内暗点指示铝空位(V_Al'''),图3c较亮位点确认Ti⁴⁺掺杂剂占据Al位。晶格傅里叶变换(图3a插图)确认[001]取向,支持空位归属Al亚晶格。
DFT计算(图4)显示表面能随Ti接近(100)表面降低,表明Ti热力学倾向表面定域。结合能分析(图4b)证实(Ti_Al⁺–V_Al''')²对在最近邻时最稳定,解释纳米粉末特征蓝光发射。能量层级(空位形成能≈4.5 eV vs O²⁻间隙≈7.0 eV)进一步支持这些外禀肖特基缺陷在纳米晶体表面普遍存在。
综合实验和理论证据表明,表面聚集的Ti⁴⁺-铝空位对驱动Ti掺杂MgAl₂O₄纳米荧光粉蓝移白光发射,与微米级粉末中较平衡缺陷分布形成对比。
结论
HR-STEM成像确认Ti掺杂MgAl₂O₄纳米荧光粉表面存在取代Al的Ti⁴⁺和伴随铝空位。增强的表面(Ti_Al⁺–V_Al''')²对浓度解释了相对微米级材料的白光发射蓝移。虽Ti⁴⁺在块体尖晶石中偏好Mg位,但低温燃烧合成促使其在纳米体系中表面定域于Al位,展示加工条件如何支配缺陷化学和发光性质。
纳米材料