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白光LED用稀土离子掺杂荧光材料的制备及光谱性能研究

于音  
【摘要】:目前,白光LED(white light emitting diode,简称W-LED)以其节能、环保、高效、使用寿命长等优点而成为了近年来的研究热点,作为“绿色照明”的主要成员之一,白光LED有望替代传统的白炽灯和荧光灯而成为新一代的固体照明光源。在白光LED的应用背景下,本课题研究了白光LED用稀土离子掺杂的磷酸盐发光玻璃和玻璃陶瓷材料。发光玻璃和玻璃陶瓷材料相比较粉体发光材料而言,具有许多独特的优势,如制造成本低、减少光圈效应、发光稳定、易于封装、可调谐、热稳定性好、出光效率高和使用寿命长等等。而在玻璃材料中,磷酸盐基质有很多优点:如散射低、折射率高、稀土离子掺杂浓度大、发射截面宽和紫外通透性强等。在本篇论文中,我们选择了磷酸盐作为玻璃和玻璃陶瓷的基质,掺入合适的稀土发光离子,利用不同稀土离子掺杂材料的上转换发光和下转换发光来获得优质的白光。 我们采用传统的高温熔融方法分别制备了稀土离子Tm3+、Tb3+、Dy3+、Er3+、 Yb3+、Sm3+、Eu3+单掺以及共掺的磷酸盐玻璃样品。利用吸收光谱、激发光谱,发射光谱、荧光衰减曲线和色彩坐标等研究了发光玻璃和玻璃陶瓷样品的上转换和下转换光学性能。基于以上的测试结果,我们分析了稀土离子的最佳掺杂浓度和稀土离子间能量传递的机理。此外,本文还对Tm3+/Er3+/Yb3+共掺磷酸盐玻璃样品进行热处理得到玻璃陶瓷。通过X射线衍射测试(XRD测试),证实在玻璃陶瓷中析出了LiYbP4O12和Li6P6O18纳米晶。在980nm的泵浦波长激发下,Tm3+/Er3+/Yb3+共掺磷酸盐玻璃陶瓷的上转换发光强度要明显强于玻璃的发光强度。色彩坐标的计算表明,Tm3+/Er3+/Yb3+共掺的磷酸盐玻璃陶瓷的上转换发光可以进入白光区域,符合白光LED色彩坐标方面的要求。 此外,我们还制备了不同掺杂浓度的Tm3+/Dy3+/Sm3+共掺磷酸盐玻璃以及Tm3+/Tb+/Eu3+共掺磷酸盐玻璃和玻璃陶瓷样品,分析了它们在紫外光激发下的下转换发光性质。实验证明,随着Sm3+离子浓度的升高,Tm3+/Dy3+/Sm3+共掺磷酸盐玻璃样品的蓝光和绿光发光强度减小,而红光波段发光强度明显增强,证实了Tm3+离子、Dy3+离子和Sm3+离子之间的能量传递过程。同样,随着Eu3+离子掺杂浓度的升高,Tm3+/Tb3+/Eu3+共掺磷酸盐玻璃样品的蓝光发光强度不变,绿光发光强度减小,红光发光强度增加,证实了Tb3+离子和Eu3+离子之间的能量传递过程。基于荧光衰减曲线的测量和荧光寿命的计算,我们合理的解释了上面的实验现象。经过热处理后,Tm3+/Tb3+/Eu3+共掺磷酸盐玻璃陶瓷样品的发光强度明显增强。此外,在紫外光激发下,部分样品的下转换发射光谱的色彩坐标非常接近于标准照明白光的色彩坐标(X=0.333,Y=0.333)。通过样品制备和性能表征可知,稀土离子在磷酸盐玻璃和玻璃陶瓷中都表现出了良好的发光性能,符合白光LED的要求。因此,稀土离子掺杂磷酸盐发光玻璃和玻璃陶瓷是一种非常具有发展潜力的发光材料,具有广阔的应用前景和深入研究的价值。


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