RESEARCH ARTICLE

Silica nanoparticles assisted Ba2SiO4:Eu2+—a bluish-green emitting remote phosphor for white light application  

Abinaya Mayavan, Aarthi Kannan, Sakthivel Gandhi

2025, 18(2): 8.https://doi.org/10.1007/s12200-025-00150-w

Abstract: Silica nanoparticles were used to develop a bluish-green emitting Ba2SiO4:Eu2+ phosphor, demonstrating their potential for white light applications. The phosphor showed a 48% enhancement of emission intensity compared to conventional silica-assisted phosphors. The use of silica nanoparticles as a precursor could lead to the creation of a more homogeneous distribution of cations and dopant ions. This uniform distribution could facilitate the proper infusion of dopants into the crystal host, resulting in improved emission. The phosphor exhibited high thermal stability, with 56% of its luminescence intensity maintained even at 190 ℃ compared to room temperature. To reduce thermal stress, a flexible remote phosphor has been developed successfully using optimized silica nanoparticles assisted Ba₂SiO₄:Eu²⁺ phosphor.

研究背景：白光发光二极管（LEDs）因其高能效、小型化、长寿命、高效率和环境友好性而受到广泛关注。然而，传统的白光LED通常基于InGaN LED芯片和黄光荧光粉Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺，长时间的热量暴露可能导致树脂变色，降低亮度。为解决这一问题，远程荧光技术应运而生，通过将荧光粉与LED芯片保持一定距离来降低热应力。本研究开发了一种基于二氧化硅纳米颗粒的Ba₂SiO₄:Eu²⁺蓝绿光荧光粉，用于白光LED。

主要内容：研究团队通过使用二氧化硅纳米颗粒作为前驱体，开发了一种新型的蓝绿光荧光粉Ba₂SiO₄:Eu²⁺。该荧光粉在发射强度上比传统二氧化硅辅助荧光粉提高了48%，并且在190°C时仍能保持56%的发光强度，显示出优异的热稳定性。进一步成功开发了一种灵活的远程荧光粉，以减少热应力。

创新点：本研究首次使用二氧化硅纳米颗粒作为前驱体来开发Ba₂SiO₄:Eu²⁺荧光粉。二氧化硅纳米颗粒的高比表面积有助于提高发光效率，并且通过均匀分布阳离子和掺杂离子，促进了掺杂剂正确融入晶体宿主，从而提高了发光性能。

方法：

• 二氧化硅纳米颗粒的合成：采用Stöber法合成二氧化硅纳米颗粒，乙醇和水的混合溶液中加入四乙氧基硅烷（TEOS）和氨水，经过沉淀、离心、洗涤和干燥得到二氧化硅纳米颗粒。

• Ba₂SiO₄:Eu²⁺荧光粉的合成：通过高温固态合成方法，将BaCO₃、Eu₂O₃和二氧化硅纳米颗粒混合，经过研磨、煅烧和还原气中烧结，制备出Ba₂SiO₄:Eu²⁺荧光粉。

• 远程荧光粉的制备：将不同重量的荧光粉与硅树脂混合，通过滴铸法制备成薄膜。

• 表征：使用X射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、光致发光光谱（PL）和紫外-可见光谱（UV-vis）等技术对荧光粉进行表征。

 结果：

• 晶体结构：XRD结果显示，所制备的荧光粉具有单一相的正交晶系Ba₂SiO₄结构，且Eu²⁺的掺杂未引入杂相。

• 光致发光性能：荧光粉在250-450 nm范围内显示出宽带吸收，发射光谱在450-650 nm范围内显示出两个峰值（490 nm和525 nm），分别对应于Eu²⁺在不同环境中的发射。优化的Eu²⁺掺杂浓度为0.01 mol，此时荧光粉的发射强度最高。

• 热稳定性：在303-463 K温度范围内，荧光粉的发光强度随温度升高而降低，但在190°C时仍能保持56%的发光强度。

• CIE色度图：荧光粉的CIE坐标为(0.15, 0.47)，显示出蓝绿色发射。

• 带隙分析：通过UV-vis光谱计算得到的带隙为4.2 eV，表明该荧光粉对紫外光有较强的吸收能力。

• 元素分析：XPS分析确认了硅、氧、钡和铕元素的存在。

• 远程荧光粉性能：优化的远程荧光粉在不同电压（2.9-3.7 V）下显示出良好的颜色稳定性，且在8小时的实时应用测试中表现出高度的稳定性。

结论：本研究开发的基于二氧化硅纳米颗粒的Ba₂SiO₄:Eu²⁺荧光粉具有优异的发光效率和热稳定性，是一种有潜力用于白光应用的蓝绿光发光材料。通过优化荧光粉的掺杂浓度和远程荧光粉的制备条件，实现了高效的发光性能和良好的颜色稳定性。