The red phosphor CaBi2B4O10:Eu – doping, crystal structure, thermal expansion and optical properties

Abstract

Бораты Ca и Bi содержащие, легированные европием, CaBi2B4O10:xEu3 (x = 0-0,3), были получены с использованием высокотемпературного твердотельного синтеза. Кристаллическая структура CaBi2B4O10 была решена и уточнена по данным рентгеновской дифракции монокристаллов до R1 = 0,029. В CaBi2B4O10 кристаллизуется в триклинной пространственной группе P1, то есть a = 6.6665 (1), b = 6.8277 (1), с = 9.5478 (1) Å, α = 94.2420 (8), β = 108.5210 (8), γ = 101.2840 (8), V = 399.76 (1), Z = 2. Это соединение оказалось изоструктурно SrBi2B4O10. Кристаллическая структура содержит [B4O9]6– изолированные тетраборатные группы (4 B:3Δ□: ˂2Δ□˃Δ), цепи Bi–O и полиэдры Ca. Тетраборатная группа состоит из триборатного кольца [B3O7]5– и разветвленного треугольника BO3. Тепловое расширение CaBi2B4O10 было исследовано с помощью HTXRD. Тепловое расширение сильно анизотропно (α11 = 14,9 (7), α22 = 2,8 (1), α33 = 7,2 (4), aV = 25 (1) = 10􏰀 6 C􏰀 1 при 25 °C). Максимальное тепловое расширение происходит между плоскостями кольца трибората и треугольника BO3. Эти твердые растворы показывают эффективное красное излучение (λmax = 611 нм) при возбуждении ультрафиолетовым излучением (λex = 392 нм). Установлено, что оптимальная концентрация легирования европием в матрице CaBi2B4O10 составляет 10 ат.%, область смесимости твердых растворов CaBi2-xEuxB4O10 (x = 0-0,225).

The europium doped calcium bismuth borates, CaBi2B4O10:xEu3þ (x 1⁄4 0–0.3), were prepared using high- temperature solid state synthesis. The crystal structure of the CaBi2B4O10 was solved and refined from single crystal X-ray diffraction data to R1 = 0.029. The CaBi2B4O10 crystallizes in triclinic space group P1, a = 6.6665 (1), b = 6.8277 (1), c = 9.5478 (1) Å, α = 94.2420 (8), β = 108.5210 (8), γ = 101.2840 (8), V = 399.76 (1), Z = 2. This compound is isotypical to SrBi2B4O10. Crystal structure contains [B4O9]6– isolated tetraborate groups (4 B:3Δ□: ˂2Δ□˃Δ), Bi–O chains and interstitial Sr atoms. Tetraborate group consists of the triborate ring [B3O7]5– and branched BO3 triangle. Thermal expansion of CaBi2B4O10 was studied by powder HTXRD. The thermal expansion is highly anisotropic (α11 = 14.9 (7), α22 = 2.8 (1), α33 = 7.2 (4), αV = 25 (1) 10􏰀 6 C􏰀 1 at 25 C). Maximal thermal expansion occurs between the planes of triborate ring and branched BO3 triangle. These solid solutions show an efficient red emission (λmax = 611 nm) when excited by UV-light (λex = 392 nm). The optimal europium doping concentration in CaBi2B4O10 host was found to be 10 at.% due to the area of miscibility of CaBi2-xEuxB4O10 (x = 0–0.225) solid solutions.