基于熒光粉制備獲得高效白光固態(tài)光源器件的性能研究.pdf

1、為應(yīng)對(duì)全球日益加劇的能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題，節(jié)能、減排成為材料化學(xué)學(xué)科的主要研究攻關(guān)目標(biāo)之一。白光固態(tài)照明(LED和OLED)因其具有節(jié)能、高效、長(zhǎng)壽命、使用方便等特點(diǎn)，成為續(xù)白熾燈、熒光燈之后的新一代綠色環(huán)保照明光源，是涉及材料、物理、化學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
　　本研究針對(duì)白光LED器件存在的顯色指數(shù)不足、相關(guān)色溫較高和發(fā)光效率較低的問(wèn)題，通過(guò)制備一系列高效熒光粉的方式來(lái)改善白光LED器件的顯色性能，研究了不同制備方法對(duì)熒光

2、粉性能的影響原理，模擬了熒光粉晶體在煅燒過(guò)程中的成長(zhǎng)機(jī)制;對(duì)熒光粉發(fā)光過(guò)程中激活劑離子的能級(jí)躍遷規(guī)律，基質(zhì)和激活劑之間的能量傳遞模式進(jìn)行了探討，并最終將所制得熒光粉封裝成白光LED或白光OLED器件，探索了熒光粉性能與白光器件性能之間的關(guān)系，主要工作如下:
　　(1)分別采用高溫固相、共沉淀和撞擊流法制備了Y3Al5O12∶Ce3+熒光粉（簡(jiǎn)稱(chēng)YAG或YAG∶Ce），不同方法所得樣品在345-460 nm處都有較強(qiáng)激發(fā)峰，分別歸屬

3、于2F5/2-5D和2F7/2-5D的躍遷，剛好與藍(lán)光芯片的發(fā)射波長(zhǎng)相匹配，證明該熒光粉能夠被芯片有效激發(fā);所得熒光粉在550 nm處有較強(qiáng)發(fā)射峰，能夠和藍(lán)光芯片未被吸收的藍(lán)光復(fù)合發(fā)白光。不同方法制備的YAG在發(fā)光強(qiáng)度和顆粒的分散性方面存在差異，撞擊流法制備樣品的相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度最高(接近10000)，顆粒分散性最好，得到更好結(jié)晶度晶體的溫度最低(1200℃)。YAG晶體的成長(zhǎng)符合Ostwald晶體熟化過(guò)程，經(jīng)過(guò)了小顆粒長(zhǎng)大，小顆粒聚集于大

4、顆粒表面，大顆粒吞并小顆粒，再吞并和共同生長(zhǎng)幾個(gè)過(guò)程;通過(guò)控制YAG晶體的成長(zhǎng)過(guò)程可以有效控制熒光粉的顆粒大小。粒度分級(jí)和二次煅燒工藝可以大大提高樣品顆粒的均勻性。三種方法制備所得YAG∶Ce熒光粉，被成功封裝成白光LED器件，采用撞擊流法制備YAG∶Ce熒光粉的綜合發(fā)光性能最好，器件的最佳性能指標(biāo)為:顯色指數(shù)85，相關(guān)色溫7560 K，色坐標(biāo)(0.315，0.325)，發(fā)光效率為80.7 lm/W。以上結(jié)論說(shuō)明，撞擊流法制備YAG∶C

5、e熒光粉能夠同時(shí)兼顧熒光粉的形貌和發(fā)光效率，撞擊流前處理過(guò)程有效降低了煅燒所需溫度，在工業(yè)生產(chǎn)中具有一定的應(yīng)用前景。
　　(2)采用水熱法制備了米粒狀的Sr2CeO4∶Sm3+單一基質(zhì)白光熒光粉，所得樣品晶體形貌完整，分散性好，在466 nm處有較寬發(fā)射峰，歸屬于Ce4+-O2-的電荷轉(zhuǎn)移能量傳遞，在567.5 nm、609.5 nm和654.5 nm有三個(gè)尖峰，分別歸屬于Sm3+離子的4G(4)5/2能級(jí)到6H5/2，6H7/2

6、，6H9/2能級(jí)的躍遷;通過(guò)改變激活劑離子濃度，可以實(shí)現(xiàn)顏色可調(diào)，摻雜濃度為1.0 mol％，封裝器件的綜合發(fā)光性能最好:色坐標(biāo)為(0.331，0.309)，顯色指數(shù)為90，相關(guān)色溫為5560 K，發(fā)光效率為32 lm/W;采用高溫固相法制備了Ba3LiMgV3O12∶Eu3+單一基質(zhì)白光熒光粉，所得樣品具有典型Ba3V2O8晶體結(jié)構(gòu)，顆粒大小在3-5μm之間;在400 nm到600 nm之間有非常寬的發(fā)射峰，峰值為500 nm，歸屬于

7、VO43-基團(tuán)的3T2-1A1和3T1-1A1能級(jí)躍遷;在260 nm到395 nm之間有較強(qiáng)的激發(fā)峰，峰值位于343 nm，肩峰位于287 nm，分別對(duì)應(yīng)VO43-基團(tuán)的1A1-3T1和1A1-3T2能級(jí)躍遷;添加Eu3+之后在，在593、613和655 nm處出現(xiàn)三個(gè)尖峰，歸屬于Eu離子的5D0-7F1、5D0-7F2和5D0-7F3躍遷;摻雜濃度為0.05 mol％，熒光粉封裝器件的綜合發(fā)光性能最好:色坐標(biāo)(0.312，0.321

8、)，顯色指數(shù)為89，相關(guān)色溫為6600K，發(fā)光效率為36 lm/W;采用高溫固相法制備了Sr2V2O7∶Eu3+單一基質(zhì)白光熒光粉，所得樣品的晶體結(jié)構(gòu)沒(méi)有因?yàn)樘砑与姾裳a(bǔ)償劑和激活劑而改變，最佳煅燒溫度為800℃，最佳電荷補(bǔ)償劑為L(zhǎng)i2CO3;所得樣品在250-390 nm之間有較激發(fā)峰，對(duì)應(yīng)于VO43-基團(tuán)的1A1-3T1和1A1-3T2能級(jí)躍遷;在430-650 nm之間有較強(qiáng)發(fā)射峰，峰值為510 nm附近的寬峰歸屬于VO43-基團(tuán)的

9、弛豫。紅光區(qū)域的三個(gè)尖峰是Eu3+的5D0-7F1、5D0-7F2和5D0-7F3躍遷;摻雜濃度為1.0 mol％，熒光粉封裝器件的綜合發(fā)光性能最好:色坐標(biāo)(0.320，0.325)，顯色指數(shù)為91，相關(guān)色溫為6126 K，發(fā)光效率為33 lm/W;單一基質(zhì)白光熒光粉封裝器件的色坐標(biāo)和YAG∶Ce熒光粉封裝器件接近，顯色指數(shù)、相關(guān)色溫要明顯優(yōu)于后者，但是發(fā)光效率仍然存在一定差距，可能和近紫外芯片本身的發(fā)光效率較低有關(guān)。以上結(jié)論說(shuō)明，采用

10、基質(zhì)發(fā)光復(fù)合激活劑離子發(fā)光的原理，可以有效實(shí)現(xiàn)紫外芯片激發(fā)單一基質(zhì)白光熒光粉發(fā)白光，通過(guò)改變激活劑離子濃度，能夠有效改變單一基質(zhì)白光熒光粉的顯色性能，該結(jié)論對(duì)于根據(jù)不同需求，制備不同發(fā)光顏色的熒光粉具有一定借鑒意義。
　　(3)采用高溫固相法制備氮化物紅色熒光粉Sr2Si5N8∶Eu2+，所得樣品為六方晶型結(jié)構(gòu)，和Sr2Si5N8晶相相同，粒徑在1-5μm之間，適合旋轉(zhuǎn)涂布制成熒光粉發(fā)光層(CCL)，激發(fā)光譜在300-500 nm

11、之間，在550-700 nm之間有一個(gè)較強(qiáng)的發(fā)射峰;采用藍(lán)色磷光材料FIrpic制成藍(lán)光OLED做激發(fā)光源，優(yōu)化之后的結(jié)構(gòu)為:ITO/m-MTDATA(30 nm)/α-NPB(20 nm)/mCP(10 nm)/mCP: FIrpic(30nm，10/TPBi(40 nm)/LiF/Al，該結(jié)構(gòu)在不同電流密度下表現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性;紅色熒光粉制備成CCL和經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后的藍(lán)光OLED-2復(fù)合制成白光OLED發(fā)光器件，器件優(yōu)化之后的結(jié)構(gòu)為:

12、CCL/glasssubstrate/ITO/m-MTDATA(30 nm)/α-NPB(20 nm)/mCP(10 nm)/mCP:FIrpic(30 nm，10/TPBi(40 nm)/LiF/Al，熒光粉在CCL中的最佳摻雜濃度為50 wt％，CCL涂膜的最佳轉(zhuǎn)速為1500 rpm，在此條件下，器件的最佳光效為11.26 lm/W，要明顯優(yōu)于其他方式制備的白光OLED，色坐標(biāo)為(0.32，0.34)，非常接近理想白點(diǎn)(0.33，0