適于藍(lán)光、近紫外和深紫外多波長轉(zhuǎn)換的白光LED熒光材料合成及其發(fā)光特性研究.pdf

1、固態(tài)半導(dǎo)體照明是繼白熾燈、鹵鎢燈和熒光燈之后的第四代綠色照明光源。自1996年發(fā)展至今,白光發(fā)光二極管(WLED)以其體積小、發(fā)熱量低、壽命長、節(jié)能等特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。為探索適于藍(lán)光、近紫外和深紫外不同波長LED芯片激發(fā)所需的熒光材料,論文合成了(Sr,Ba)3SiO5:Eu2+、Li2SrSiO4:Eu2+,Ce3+、(Y,Gd)BO3:Sb3+/Eu3+/Tb3+三種不同體系的熒光材料,并利用X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、熒光光譜儀

2、、同步輻射裝置等手段對三種熒光材料的結(jié)構(gòu)、形貌以及發(fā)光性能進(jìn)行表征,取得的主要研究成果如下:
　　1.(Sr,Ba)3SiO5:Eu2+是目前最具前途的藍(lán)光芯片激發(fā)的暖白光LED用橘色熒光材料,但是其合成產(chǎn)物中常常存在伴生相(Sr,Ba)2SiO4:Eu2+,影響整體的發(fā)光強(qiáng)度與光色。論文采用高溫固相反應(yīng)法合成Eu2+激活(Sr,Ba)3SiO5熒光粉并探究其合成工藝,提出通過調(diào)整體系中Sr/Si原子比及在原料中添加納米SiO2的

3、方式提高產(chǎn)物的結(jié)晶性及發(fā)光性能。研究表明,Sr元素在體系中相對Si元素略微過量時可以得到物相更純、光效更高的Sr3SiO5:Eu2+,其中性能最佳的樣品Sr/Si比為3:0.95。此外,通過添加部分表面活化能更高的納米SiO2與普通微米級SiO2原料混合作為Si源可以顯著提高物相的結(jié)晶性能,納米SiO2的最優(yōu)添加比例為10-30％。論文將這兩項研究結(jié)果同時應(yīng)用于(Sr,Ba)3SiO5:Eu2+,成功合成高性能的橘色(Sr,Ba)3Si

4、O5:Eu2+熒光粉,并在此基礎(chǔ)上研究堿土金屬元素及各種助熔劑對(Sr,Ba)3SiO5:Eu2+發(fā)光性能的影響。Sr3SiO5:Eu2+中摻入15-20mol%的Ba2+,能使Sr3SiO5:Eu2+發(fā)射光譜紅移,其中峰值最大可調(diào)節(jié)至600nm;而摻入不同濃度Ca2+,不僅導(dǎo)致光譜藍(lán)移,同時嚴(yán)重降低樣品發(fā)光強(qiáng)度。其次,通過比對添加不同助熔劑的(Sr,Ba)3SiO5:Eu2+晶體結(jié)構(gòu)及發(fā)光性能,得出助熔劑對該體系發(fā)光性能無益,且添加助

5、熔劑易誘發(fā)(Sr,Ba)3SiO5:Eu2+相變反應(yīng)。尤其在體系中添加助熔劑NH4Cl后,合成產(chǎn)物中不僅有較多(Sr,Ba)2SiO4:Eu2+生成,而且檢測到氯化物水合物。由此推斷,在合成(Sr,Ba)3SiO5:Eu2+過程中,高溫環(huán)境下的水汽是誘發(fā)(Sr,Ba)3SiO5:Eu2+相變的重要因素,而調(diào)整化學(xué)計量比時原料中過量的Sr元素不僅彌補(bǔ)了SrO在高溫下的揮發(fā),同時略微過量的強(qiáng)堿性SrO能夠抑制水汽對晶界的腐蝕。采用優(yōu)化后的(

6、Sr0.8Ba0.2)2.7Eu0.3Si0.95O5熒光粉與綠色商用粉(Sr,Ba)2SiO4:Eu2+配合藍(lán)光芯片,封裝出坐標(biāo)為(0.3218,0.3064)、顯色指數(shù)為85.5以及光效為53.32lm/W的白光LED器件。
　　2.本論文將田口方法應(yīng)用于輔助組合化學(xué)法篩選Li2SrSiO4:Eu2+,Ce3+熒光粉,合成并表征了Eu2+和Ce3+共激活的Li2SrSiO4單基質(zhì)復(fù)色白光熒光材料。在未知激活離子濃度范圍的情況下

7、合成首個組合材料庫,根據(jù)其光譜表征結(jié)果細(xì)化離子濃度范圍,設(shè)計第二個組合材料庫,并利用田口方法的統(tǒng)計數(shù)學(xué)原理,分析Eu2+濃度、Ce3+濃度及兩個離子之間的交互作用對發(fā)光強(qiáng)度、顯色指數(shù)、色溫三方面目標(biāo)性能的影響。分析得到Eu2+離子濃度對三方面目標(biāo)性能的貢獻(xiàn)度最大,其次是兩個離子之間的交互作用,而Ce3+離子濃度對目標(biāo)性能的貢獻(xiàn)度最小。此外,通過比對樣品Ce3+與Eu2+的特征發(fā)射,證實盡管體系中存在Ce3+向Eu2+的能量傳遞,但是Eu

8、2+的發(fā)射并沒有因此得到增強(qiáng),而兩個離子在對激發(fā)光吸收上產(chǎn)生的競爭削弱了兩個離子間的能量傳遞,從而影響了熒光粉總的發(fā)光。
　　3.論文針對深紫外(Deep UV)LED芯片下游應(yīng)用的空缺探討了用于深紫外LED的Sb3+/Eu3+/Tb3+/Gd3+共激活YBO3熒光材料的合成及發(fā)光性能表征。在國家同步輻射實驗室和北京同步輻射裝置的真空紫外光譜實驗站觀測YBO3:Sb3+在真空紫外波段的激發(fā)和發(fā)射光譜。研究結(jié)果表明,Sb3+在YBO

9、3基質(zhì)中的發(fā)光具有波長選擇激發(fā)特征,這是由于Sb3+在YBO3中占據(jù)不同Y3+格位造成的。此外,Sb3+與YBO3基質(zhì)之間存在著強(qiáng)烈的電子-晶格點(diǎn)陣作用,即姜-泰勒效應(yīng)(Jahn-Teller Effect)。當(dāng)Gd3+與Sb3+共摻時,觀測到體系中存在Gd3+向Sb3+的能量傳遞。利用Tb3+與Sb3+共摻時可以得到短波激發(fā)的綠色發(fā)光,因光譜中缺乏紅色成分,無法調(diào)制成白光;利用Eu3+與Sb3+共激活YBO3可在單一體系中調(diào)制出白光。