天然磷灰石的发光机制及其功能化的研究

矿物的发光性是矿物物理学领域的重要课题，而成分和结构是矿物学、晶体化学研究的重要内容，也是发光学领域中影响材料发光性能的重要因素。因此，基于天然发光矿物成分、结构与发光性能的研究，开展人工合成发光材料制备与功能化，这成为矿物物理学、材料学和晶体化学等学科的热点领域。磷灰石矿物具有稳定的物理化学性质、丰富的晶体结构类型和可调变的取代性阳离子格位，本项目拟以天然磷灰石发光矿物为研究对象，研究典型天然磷灰石发光矿物的化学成分、晶体结构及晶体化学特征，进而阐明天然磷灰石发光矿物的发光机制，探索矿物发光性与其成分、结构间的关系。本项目还将开展基于稀土离子掺杂的磷灰石发光矿物合成及功能化研究，揭示稀土离子掺杂磷灰石体系的晶体化学及发光特征。本项目的研究成果可为新发光材料体系开拓以及磷灰石体系发光矿物在成因矿物学、核废料处理等领域的应用提供丰富的数据和基础理论支撑。

本项目获得了五个方面的研究成果：（1）采集了若干种国内外天然磷灰石矿物样品，对内蒙古黑鹰山、河北矾山和四川雪宝顶磷灰石进行了物相、成分分析和发光性能表征，结果表明，三种磷灰石矿物中均存在广泛的类质同象替换现象，黑鹰山磷灰石的Fe含量明显高于其他两种磷灰石，这与黑鹰山磷灰石与磁铁矿伴生有关。(2) 采用高温固相法合成了磷灰石结构La6Ba4(SiO4)6F2:Ce3+,Tb3+荧光粉。采用X射线衍射、荧光激发发射光谱、荧光寿命测量、结构精修等方法对荧光粉进行了表征。结果表明，La6Ba4(SiO4)6F2:Ce3+,Tb3+呈现出宽带蓝色发射(Ce3+)和线型绿光发射(Tb3+)。(3) 采用高温固相法合成一系列颜色可调的La5Si2BO13(LSBO):Ce3+,Mn2+荧光粉。运用Rietveld方法精修了La5Si2BO13(LSBO):Ce3+,Mn2+的晶体结构，证实所合成的La5Si2BO13荧光粉是磷灰石型结构。研究发现La5Si2BO13中两个不同的La3+位被Ce3+和Mn2+均匀占据，并且形成的空位促成了电荷补偿。La5Si2BO13:Ce3+,Mn2+荧光粉展示出一个从250到375 nm很宽的激发波段。(4) 合成了新型磷灰石结构Sr8La2O2(PO4)6:Eu2+蓝色发光材料，并研究了其光致发光性能。该荧光粉在近紫外区域展示出强烈的宽带吸收，在365 nm的紫外光激发下，能发射以442 nm为中心的蓝光。通过计算得出Eu2+的浓度淬灭机理为偶极到偶极的相互作用。此外，还研究了Sr8La2O2(PO4)6:Eu2+荧光粉的荧光寿命衰变曲线，变温荧光光谱和CIE值。采用低温燃烧法制备了磷灰石结构Sr2La8O2(SiO4)6:Ce3+蓝紫色发光材料。（5）采用高温固相法制备了Sr3.5Y6.5O2(PO4)1.5(SiO4)4.5:Eu2+/Mn2+系列颜色可调的荧光粉，并且对其激发光谱、发射光谱、荧光寿命和基质中能量传递过程进行了研究。研究表明，Eu2+、Mn2+在Sr3.5Y6.5O2(PO4)1.5(SiO4)4.5基质中的能量传递过程是偶极到偶极的弛豫过程。