釔-鋱鋁石榴石 (YAG-TAG) 螢光粉合成、結構 及其螢光特性之研究 李玄閔、陳威宇、吳佳穎、黃啟原 成功大學資源工程學系 Reporter： Zhi-hua wu Date：104/5/8

Introduction 本實驗利用固態反應法合成不同量 Tb3+ 離子摻雜的釔-鋱鋁石 榴石(YAG-TAG) 螢光粉體，對合成過程所帶來結構與螢光性質 改變做相關研究。由 SEM 顯示， 可看到隨著 Tb3+ 含量增加，晶 型愈完整、顆粒愈大與結晶度愈高，經過第二階段煅燒 (1600 /4 ℃ h) 後，純 TAG 粉體平均顆粒尺寸已達 5 µm 左右。拉曼光譜 數據中，不論低頻或高頻區之波模皆有往低波數 (頻率) 偏移之 趨勢，此足以證實因 為 Y3+ 與 Tb3+ 之離子鍵結特性差異，造成 固溶取代成功；隨 Tb3+ 含量愈多，Tb3+ 之特徵吸收峰強度有變 強之趨勢，但是因為伴隨濃度淬滅與主體轉換之效應，造成 YAG:Tb 發光強度漸低，且由間接計算 Tb3+ 間距，也證實此發生 濃度淬滅時效應存在之正當性。

Experimental 將烘乾後的氧化釔及氧化鋱粉末依照不同計量混合，並以 pH = 13 的氫氧化鈉水溶液搭配電磁攪拌調配成固含量約 26 wt% 且 pH = 11 的漿料之後，球磨 36小時做外型修飾。球磨後之漿料，以相同調配方式加入所需計量比之 θ-Al2O3 粉末，一樣用氫氧化鈉水溶液調配成固含量約 20 wt% 且 pH = 11 的漿料，再以球 磨方式混合 8 小時。之後置入微波爐中加熱約 20 分鐘微波乾燥，之後取出乾燥後的粉末加以研磨，並以 200 目的篩網過篩。再將粉體置入高溫爐，第一階段以 常壓 1550℃/36 h 為熱處理條件來進行煅燒，之後將粉末取出並研磨 10 分鐘，再以第二階段常壓 1600℃/4 h 之熱處理條件進行煅燒。 最後針對所合成螢光粉進行粉末 XRD 分析、HR-SEM微結構觀察與拉曼 光譜分析，以及光學性質吸收光譜 與 PL 發光光譜的量測。

Results and discussion (a) (b) 分別為 garnet 螢光粉體 1st calcination 及 2nd calcination 後XRD繞射圖譜。由圖可知，第一階段熱處理後，Tb3+ 含量 0、5、100 at% 之螢光粉皆 為純 YAG (或 TAG) 相 (YAG:#01-070-7794,TAG: #01-076-0111)，但 Tb3+ 含量 25、50、75 at% 之螢光粉在約 2θ = 34.2° 時有微量釔鋁鈣鈦礦(YAP, yttrium aluminum perovskite) 或鋱鋁鈣鈦礦 (TAP, terbium aluminum perovskite) 生成(YAP:#01-089-7947, TAP: #01-088-0154)，由於反應未完全所導致。進行第二階段熱 處理後，此過渡相才消失。 Fig1. XRD patterns of (a) 1st calcination and (b) 2nd calcination of YAG:Tb (Tb = 0, 5,25, 50, 75, 100 at%).

Results and discussion 晶格常數方面，由 Fig. 2 可以看到，隨著 Tb3+ 含量增加，晶格常數也明顯 變大，也是由於 Tb3+ 的離子半徑大於 Y3+ 的離子半徑，因此 Tb3+ 進入晶格內會 使得晶格變大。 Fig. 2 The variety of cell parameter of YAG:Tb (Tb = 0, 5, 25, 50, 75, 100 at%).

Results and discussion Fig. 3 為 YAG-TAG 螢光粉在第二階段煅燒之 SEM 外貌，可明顯發現，Tb3+ 添加量愈多，粉體型態較佳，即晶型完整、顆粒較大且結晶度較高，純 YAG 顆 粒尺寸約 1 μm，呈現局部鏈狀成長，Tb3+ 添加量達 5 at%，顆粒尺寸約達 2 μm ，當達純 TAG 時平均顆粒尺寸約為 5 μm 以上。 Fig. 3 SEM micrographs of YAG:Tb with Tb = (a) 0, (b) 5, (c) 25, (d) 50, (e) 75, (f)100at% after 2nd calcination.

Results and discussion 圖4為 YAG-TAG 螢光粉體吸收光譜圖，在 Tb3+ 低添加量時 (<25 at%)，基本上以波長約為 280 nm 為分水嶺，低波長處屬於電荷轉移。 。在 Tb3+ 高添加量時 (>25 at%)，以波長約 315 nm 為 分水嶺，低波長或高波長 Tb3+ 放光機制與 Tb3+ 低添加量時類似，只是相對波長 位置有些微的不同罷了。 Fig. 4 Absorption spectra of YAG:Tb with Tb = 0, 5, 25, 50, 75, 100 at%.

Conclusions 由 XRD 相鑑定、晶格常數、拉曼光譜、吸收光譜、發 光光譜與添加劑間距等數據顯示，均可以證實 Tb3+ 確實 取代與進入 garnet 結構中。由 SEM 可看到隨著 Tb3+ 含量增加，晶型愈完整、顆粒愈大與結晶度愈高，是因 為 YAG 與 TAG不同離子擴散能力所致；且隨 Tb3+ 添加 至一定量，濃度淬滅與主體轉換效應愈明顯而降低激發 YAG:Tb3+ 之能力，且也間接消耗掉放光能量，造成縱使 純 TAG 粉體型態最佳仍舊幾乎不發光。

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