白光LED用新型高效稀土掺杂磷酸盐荧光粉的制备与光谱性能研究

【摘要】：随着社会的进步,科学技术的不断发展,我们的照明技术也步入到第四代,这其中白光发光二极管(LED)的开发和利用受到人们的广泛关注,它属于一种固体类性质的光源,具有极其明显的节能、发光能耗低、使用寿命长、坚固耐用、无汞污染且容易维护等诸多优点,因此被誉为新一代照明光源。最早生产的白光发光二极管是将可发射黄色光的“YAG:Ce~(3+)荧光粉”以及发射蓝色光的光源——LED芯片通过技术封装从而得到的。在这种类型的WLED中,由于可见光谱区域缺乏红色成分,结果导致两个相关指数出现波动——显色指数(CRI)明显较差,与之相反,另一指数相关色温(CCT)较高。最近,研究人员主要集中在新型可通过近紫外芯片(350~410 nm)或蓝光芯片(450~470 nm)进行高效激发的高显色指数,低色温的荧光粉上。目前,磷酸盐基荧光粉具有诸多优点(例如合成难度低、制作成本极低满足大部分实验室要求、热稳定性在技术要求范围内、化学性质稳定不易改变),故被生产商和相应研究人员广泛而频繁地应用于我们所知的绝大部分固体光源照明领域。所以我们进行大量文献调研,以及对实际实验条件的考虑,最终决定采用成功率高的高温固相法进而合成数种把磷酸盐作为其基质的目标荧光粉,通过稀土离子种类和掺杂浓度的选择,实现紫外近紫外LED激发下的有效发光。研究利用X射线粉末衍射来测定合成荧光粉的结构性质,从激发光谱、发射光谱、掺杂浓度、色纯分析、荧光衰减寿命等方面来探讨荧光粉的发光性质和发光机理。所取得的研究结果如下:1.本文采用高温固相反应法于1100℃下保温5 h合成了具有“Eu~(3+)”离子技术掺杂的“Na_3Sc_2(PO_4)_3:Eu~(3+)”系列荧光粉。利用XRD表征其晶体结构,利用SEM来进而分析获得所需样品的物质形貌。对发光性质的一系列完整的研究结果最终都表明Na_3Sc_2(PO_4)_3:Eu~(3+)的激发光谱在394 nm处有很强的激发峰。Na_3Sc_2(PO_4)_3:Eu~(3+)荧光粉中表现出Eu~(3+)离子的~5D_0→~7F_J(J=0、1、2、3、4)特征跃迁发射,最强发射峰位于613 nm处。Eu~(3+)离子在Na_3Sc_2(PO_4)_3基质中具有鲜明的浓度猝灭特性,最佳掺杂浓度为35 mol%。同时Na_3Sc_2(PO_4)_3:Eu~(3+)荧光粉的物理性质——荧光衰减寿命的数量级范围为毫秒级。在波长为394 nm的近紫外光激发作用下与商业常用粉——Y_2O_2S:Eu~(3+)荧光粉做详细的对比,Na_3Sc_2(PO_4)_3:0.35Eu~(3+)荧光粉的发光亮度是同样条件下Y_2O_2S:Eu~(3+)荧光粉的6.17倍且Na_3Sc_2(PO_4)_3:Eu~(3+)荧光粉的色坐标和量子效率分别为(0.642,0.353)和49%。研究结果表明Na_3Sc_2(PO_4)_3:Eu~(3+)是一种适合近紫外光激发的红光荧光粉。2.首次用高温固相法在1100℃温度以及还原气氛下合成了Na_3Sc_2(PO_4)_3:Re(Re=Ce~(3+)/Tb~(3+)/Ce~(3+),Tb~(3+))单一基质发射蓝光,绿光荧光粉。激发光谱研究表明Na_3Sc_2(PO_4)_3:Re(Re=Ce~(3+)/Tb~(3+)/Ce~(3+),Tb~(3+))荧光粉在近紫外区域有很强的吸收。在波长为320 nm的近紫外光激发下,Na_3Sc_2(PO_4)_3:Ce~(3+)荧光粉表现出了蓝紫色发光现象。在波长为378 nm的近紫外光激发下,Tb~(3+)离子掺杂的Na_3Sc_2(PO_4)_3荧光粉中,由于Tb~(3+)离子的~5D_4→~7F_5跃迁,使得Na_3Sc_2(PO_4)_3:Tb~(3+)荧光粉显示出绿光发射,发射光谱的最强波长峰值位置为542 nm处。而且在波长为320 nm的近紫外光激发下,Na_3Sc_2(PO_4)_3:Ce~(3+),Tb~(3+)荧光粉能够通过调节Ce~(3+),Tb~(3+)离子的比例实现调光。此外,Na_3Sc_2(PO_4)_3:Ce~(3+),Tb~(3+)荧光粉有着很高的活化能(0.245 eV)和76.63%的能量传递效率。结果表明,制备的Ce~(3+)/Tb~(3+)共掺杂Na_3Sc_2(PO_4)_3荧光粉在NUV基白光LED中具有潜在的应用价值。3.NLPM:xEu~(3+)系列荧光粉的研究。该荧光粉同样采用常规高温固相法在温度较低的情况下合成。在396 nm近紫外激发下,所有样品的最强发射峰都在616 nm(Eu~(3+)离子~5D_0→~7F_2跃迁)左右,发射鲜红色的光。NLPM:0.6Eu~(3+)的CIE色度坐标为(0.660,0.338),IQE为73.1%,而且重要的是,NLPM:0.6Eu~(3+)荧光粉的颜色纯度达到93.5%。这些评价荧光粉性能的指标都比目前商用Y_2O_2S:Eu~(3+)和Y_2O_3:Eu~(3+)红色荧光粉好,因此Eu~(3+)活化的Na_2Lu(Mo_4)(PO_4)荧光粉是一种适合近紫外光激发的红光荧光粉。最后,我们对当前论文所做的工作进行了简单的总结,并结合目前的研究领域以及发光材料的发展态势提出了未来可能的研究方向。