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《河北大学》 2017年
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稀土掺杂磷酸盐发光材料的制备及性能研究

朱子忠  
【摘要】:白光发光二极管(LED)被认为是继白炽灯、荧光灯和HID灯之后的第四代光源。由于其在照明领域具有广阔的前景,使得白光LED用荧光粉成为发光领域的研究热点。本文针对紫外-近紫外基白光LED的需要,以稀土离子RE~(3+)(RE=Eu~(3+)、Tb~(3+)、Dy~(3+)、Sm~(3+))为激活离子,基于磷酸盐化学性质稳定、对环境没有危害、煅烧温度低、合成简单等优点,以Na_3Bi_2(PO_4)_3、Na_3Bi(PO_4)_2和BiMg_2PO_6为基质,采用高温固相法合成了系列荧光粉,详细地分析和研究了晶体结构和发光特性的关系,为白光LED用荧光粉的发展提供了理论和实验参考。(1)制备了Na_3Bi_(2-x)(PO_4)_3:Re~(3+)和Na_3Bi_(1-x)(PO_4)_2:Re~(3+)(Re=Eu~(3+),Tb~(3+),Dy~(3+),Sm~(3+))系列荧光粉。经过XRD测试发现,Na_3Bi_(2-x)(PO_4)_3:Re~(3+)系列荧光粉的结构会随着稀土离子掺杂浓度的增加而由Na_3Bi_2(PO_4)_3结构改变为Na_3Bi(PO_4)_2结构,而Na_3Bi_(1-x)(PO_4)_2:Re~(3+)系列荧光粉的结构不会发生改变。由测得的XRD数据和离子半径Bi~(3+)(0.96?)≈Eu~(3+)(0.96?)≈Sm~(3+)(0.96?)Tb~(3+)(0.92?)Dy~(3+)(0.91?)可知,掺杂离子半径越小时,越不容易改变其原结构。在396 nm近紫外光激发下,Na_3Bi_(2-x)(PO_4)_3:Eu~(3+)荧光粉的主发射峰会随着相变由621 nm转移到598 nm,即发射由电偶极跃迁为主转换为磁偶极跃迁为主。Na_3Bi_(1-x)(PO_4)_2:Re~(3+)荧光粉则没有变化,以磁偶极跃迁的发射为主;在379 nm近紫外光激发下,Tb~(3+)掺杂系列荧光粉显现出较强的绿光发射,最强发射波长峰值位于550 nm,对应于Tb~(3+)离子的5D4-7F5跃迁。在392 nm近紫外光激发下,Dy~(3+)掺杂系列荧光粉显现出较强的黄光发射,发射光谱由491 nm附近的蓝光发射和位于582 nm附近的黄光发射组成,分别对应于Dy~(3+)离子的磁偶极跃迁4F9/2-6H15/2和电偶极跃迁4F9/2-6H13/2。在407 nm近紫外光激发下,Sm~(3+)掺杂系列荧光粉显现出较强的橙红光发射,最强发射峰值位于607 nm,对应于Sm~(3+)离子的4G5/2-6H7/2跃迁。研究结果表明所有制备荧光粉在近紫外区域都有很好的吸收,在近紫外白光LED中具有重要的应用前景。(2)以Na_3Bi(PO_4)_2为基质,制备了Eu~(3+)-Tb~(3+)/Sm~(3+)/Dy~(3+)和Sm~(3+)-Tb~(3+)等两种离子共掺杂的颜色可调的荧光粉。在所得样品中存在着Tb~(3+)/Sm~(3+)/Dy~(3+)向Eu~(3+)和Sm~(3+)向Tb~(3+)的能量传递,经过分析得知导致发生能量传递的是电偶极-电偶极相互作用。在近紫外光激发下,在Na_3Bi(PO_4)_2:x Eu~(3+),0.1Tb~(3+)系列荧光粉中实现了由绿色到红色的颜色调控;在Na_3Bi(PO_4)_2:x Eu~(3+),0.1Dy~(3+)系列荧光粉中实现了由黄色到红色的颜色调控;在Na_3Bi(PO_4)_2:x Eu~(3+),0.1Sm~(3+)系列荧光粉中实现了由橙红色到红色的颜色调控;在Na_3Bi(PO_4)_2:x Sm~(3+),0.1Tb~(3+)系列荧光粉中实现了由绿色到黄色再到黄白的颜色调控。另外,在制备出的Na_3Bi(PO_4)_2:y Tb~(3+)/zDy~(3+)/lSm~(3+),0.1Eu~(3+)系列荧光粉中稀土离子可以通过能量传递过程增强Eu~(3+)离子的红光发射。研究结果表明制备所得多系列颜色可调控荧光粉有望成为一种新型近紫外转化型荧光粉,适用于不同特殊情况白光LED的需要。(3)以BiMg_2PO_6为基质制备了Eu~(3+),Tb~(3+),Sm~(3+),Dy~(3+)稀土离子掺杂和Zn2+阳离子替换系列荧光粉。BiMg_2PO_6基质的激发光谱和发射光谱均为宽谱,最强激发峰和最强发射峰分别位于283 nm和487 nm,对应于Bi~(3+)离子的3P1-1S0能级和1S0-3P1能级跃迁。在Eu~(3+),Tb~(3+),Sm~(3+),Dy~(3+)稀土离子掺杂荧光粉中,283 nm紫外光不能高效激发起稀土离子的发光。只有在近紫外光激发下才能获得稀土离子的发光颜色。Zn2+离子的引入成功实现了让BiMg_2PO_6的激发范围由紫外区域(283 nm)扩展到近紫外区域(372 nm)。当紫外光激发BiMg_(2(1-x))PO_6:x Zn荧光粉时,其主发射峰从原来的487 nm红移至500 nm;当372nm近紫外光的激发时,还实现了主峰位于552 nm的暖白发射。
【关键词】:白光LED 发光材料 磷酸盐 稀土离子 发光性能 能量转移
【学位授予单位】:河北大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O482.31;TN312.8
【目录】:
  • 摘要5-7
  • Abstract7-12
  • 第1章 绪论12-22
  • 1.1 照明简史12-14
  • 1.2 白光LED的发光机理及实现方式14-16
  • 1.2.1 红光LED+绿光LED+蓝光LED15
  • 1.2.2 蓝光LED+YAG荧光粉15-16
  • 1.2.3 紫外LED+RGB荧光粉16
  • 1.3 白光LED用荧光粉的研究现状16-18
  • 1.3.1 硅酸盐体系荧光粉的研究进展17
  • 1.3.2 硼酸盐体系荧光粉的研究进展17-18
  • 1.3.3 磷酸盐体系荧光粉的研究进展18
  • 1.4 白光LED用荧光粉制备方法18-20
  • 1.4.1 沉淀法19
  • 1.4.2 溶胶—凝胶法19
  • 1.4.3 高温固相法19-20
  • 1.5 论文的选题意义和研究内容20-22
  • 1.5.1 研究意义和目的20
  • 1.5.2 研究内容20-21
  • 1.5.3 创新点21-22
  • 第2章 基本概念和理论22-31
  • 2.1 稀土元素介绍22-23
  • 2.2 发光材料的基本概念23-27
  • 2.2.1 发光23-24
  • 2.2.2 吸收光谱24
  • 2.2.3 漫反射光谱24
  • 2.2.4 激发光谱24
  • 2.2.5 发射光谱24-25
  • 2.2.6 斯托克斯定律25
  • 2.2.7 量子效率25
  • 2.2.8 色坐标25-26
  • 2.2.9 显色指数26
  • 2.2.10 浓度淬灭26
  • 2.2.11 荧光寿命26-27
  • 2.3 稀土离子间的能级跃迁27-31
  • 2.3.1 稀土元素的电子组态27-29
  • 2.3.2 Eu~(3+)离子的发光29
  • 2.3.3 Tb~(3+)离子的发光29-30
  • 2.3.4 Dy~(3+)离子的发光30
  • 2.3.5 Sm~(3+)离子的发光30-31
  • 第3章 实验部分31-34
  • 3.1 实验试剂——样品的名称31
  • 3.2 实验方法——样品的合成31-32
  • 3.3 实验仪器——样品的检测32-34
  • 第4章 Na_3Bi_2(PO_4)_3:Re和Na_3Bi(PO_4)_2:Re(Re= Eu~(3+),Tb~(3+),Sm~(3+),Dy~(3+))的发光性质研究34-61
  • 4.1 引言34-35
  • 4.2 结果和讨论35-58
  • 4.2.1 Na_3Bi_2(PO_4)_3: Eu~(3+)和Na_3Bi(PO_4)_2: Eu~(3+)的发光性能35-42
  • 4.2.2 Na_3Bi_2(PO_4)_3: Tb~(3+)和Na_3Bi(PO_4)_2: Tb~(3+)的发光性能42-47
  • 4.2.3 Na_3Bi_2(PO_4)_3: Sm~(3+)和Na_3Bi(PO_4)_2: Sm~(3+)的发光性能47-53
  • 4.2.4 Na_3Bi_2(PO_4)_3: Dy~(3+)和Na_3Bi(PO_4)_2: Dy~(3+)的发光性能53-58
  • 4.3 本章小结58-61
  • 第5章 颜色可调的Na_3Bi(PO_4)_2:Re(Re= Eu~(3+)/Tb~(3+)/Sm~(3+)/Dy~(3+))荧光粉制备及能量传递研究61-95
  • 5.1 引言61-62
  • 5.2 结果和讨论62-93
  • 5.2.1 Na_3Bi(PO_4)_2: Tb~(3+) / Dy~(3+)/ Sm~(3+), Eu~(3+)荧光粉制备及能量传递研究62-84
  • 5.2.2 Na_3Bi(PO_4)_2: Tb~(3+),Sm~(3+)荧光粉的制备及能量传递研究84-93
  • 5.3 本章小结93-95
  • 第6章 BiMg_2PO_6基荧光粉的发光性质研究95-119
  • 6.1 引言95
  • 6.2 结果和讨论95
  • 6.2.1 BiMg_2PO_6荧光粉的发光性能研究95
  • 6.2.2 稀土掺杂BiMg_2PO_6荧光粉的发光性能研究95
  • 6.2.3 BiMg_(2(1-x))PO_6:x Zn荧光粉的发光性能研究95
  • 6.3 本章小结95-119
  • 结束语119-121
  • 展望121-122
  • 参考文献122-136
  • 致谢136-138
  • 攻读博士学位期间发表论文138

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