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Eu~(2+)激活的磷酸盐基发光材料的结构设计与性能研究

张丹  
【摘要】:如今,全球生态环境恶化、能源紧缺等问题亟待解决,低碳、环保、可持续发展已经成为各国发展的战略目标。以发光二极管(LED)为基础的半导体照明具有节能环保特点,使之成为高度契合时代主题的产业,如今LED照明产业的发展也成为我国政府关注的热点。为推动白光LED的发展,新型荧光粉材料的研发尤为重要。本文以制备高质量白光LED为目标,采用高温固相法合成Eu~(2+)掺杂的磷酸盐基荧光粉材料。通过能量传递、结构位点工程策略等光谱调控方法合成了可满足不同应用需求的新型荧光粉材料。取得研究成果如下:1.通过在Na_4Ca_4Mg_(21)(PO_4)_(18)(NCMP)中掺杂Eu~(2+)、Tb~(3+)、Mn~(2+)制备了红、绿、蓝三基色荧光粉。详细研究了NCMP:Eu~(2+),Tb~(3+)/Mn~(2+)荧光粉的晶体结构、物相组成和发光性能。在335 nm紫外光激发下,NCMP:Eu~(2+)荧光粉为蓝光发射。结合荧光光谱和寿命衰减曲线研究了Eu~(2+)→Tb~(3+)和Eu~(2+)→Mn~(2+)的高效能量传递(ET)过程。当y=0.15,z=0.15时,NCMP:0.01Eu~(2+),y Tb~(3+)和NCMP:0.01Eu~(2+),z Mn~(2+)的ET效率可分别达到92.58%和99.85%。高效的能量传递作用显著提高荧光粉的量子效率(从31.9%提高到84.6%)、发光强度和热稳定性,且荧光粉的发光颜色可从蓝光调谐为绿光和红光。此外,采用385 nm LED芯片与NCMP:Eu~(2+),Tb~(3+)/Mn~(2+)荧光粉结合组装的白光LED器件表现出优异的发光性能,表明NCMP:0.01Eu~(2+),y Tb~(3+)和NCMP:0.01Eu~(2+),z Mn~(2+)可作为潜在的白光LED用绿色和红色荧光粉。2.通过在K_3Sc(PO_4)_2中掺杂Eu~(2+)制备了青绿色荧光粉。随着Eu~(2+)含量增加,晶体场环境发生的变化,发射光谱中心峰位从468 nm(蓝光区)红移至497 nm(青绿光区)。K_3Sc(PO_4)_2:0.05Eu~(2+)具有良好的热稳定性:在423 K时的总积分强度仍为室温时的90.02%。K_3Sc(PO_4)_2:0.05Eu~(2+)荧光粉在压力作用下的红移率为7.9cm~(-1)/kbar,表明该荧光粉在光学压力传感器中具有良好的应用前景。K_3Sc(PO_4)_2:Eu~(2+)在未加压和卸压至0 GPa时的归一化发射光谱形状和位置相近,证实其具有良好的结构刚性和稳定性。在50-500 m A的工作电流下,以K_3Sc(PO_4)_2:0.05Eu~(2+)作为青绿色荧光粉组装的WLED器件的显色指数(R_a)和色温(CCT)仍保持稳定(R_a为87.5,CCT为4505 K)。结果表明,这种青绿色荧光粉不仅可用于WLEDs中补偿青光,还可用于光学压力传感器领域。3.通过高温固相法合成了一系列Eu~(2+)单掺杂Ca_9Na_(1-x)Li_xSc_(0.667)(PO_4)_7全光谱白光荧光粉。在385 nm激发下,Eu~(2+)单掺杂Ca_9Na Sc_(0.667)(PO_4)_7荧光粉的发射峰位于约480和610 nm,呈现宽带冷白光发射。随着Li~+的引入,Eu~(2+)选择性地占据Ca1、Ca2/Ca3和Na位点。通过Li~+诱导Eu~(2+)局域环境的改变增强了Eu~(2+)的发光强度,解决了红光组分缺乏的问题,实现了发光颜色从冷白光经暖白光到橙光的调谐。通过Li~+迁移实现电荷平衡,避免了缺陷的产生,有利于发光强度的提高。将Ca_9Na_(0.8)Li_(0.2)Sc_(0.667)(PO_4)_7:2%Eu~(2+)白光荧光粉涂覆在385 nm LED芯片上,制备了一种暖白光LED器件。这种LED器件在工作温度下具有高显色指数(CRI或Ra=92.9)、低色温(CCT=4529 K)及优异的色稳定性,证实Ca_9Na_(0.8)Li_(0.2)Sc_(0.667)(PO_4)_7:2%Eu~(2+)暖白光荧光粉在全光谱固态照明领域具有潜在应用价值。4.通过高温固相法合成了一系列多功能单相全光谱白光荧光粉Ca_9Na Zn_(1-y)Mg_y(PO_4)_7:Eu~(2+)。在Ca_9Na Zn(PO_4)_7:1.0%Eu~(2+)荧光粉中,Eu~(2+)可占据Ca3、Ca1/Ca2和Na位点,Eu~(2+)的发射峰位分别在415、490和570 nm处。Mg~(2+)对Eu~(2+)的诱导作用逐渐减少了Eu~(2+)在Ca3位点(415 nm)的占据,减轻了蓝光对人体健康的危害。同时,由Mg~(2+)引入导致的Eu~(2+)局域环境的变化使得处于Na位点的发射峰从562 nm红移到634 nm,并且随着红光成分增加,发光颜色逐渐从黄光调谐为暖白光。结合Ca_9Na Zn_(1-y)Mg_y(PO_4)_7:1.0%Eu~(2+)(y=0和0.6)荧光粉与375 nm芯片制备的WLED器件的显色指数(CRI)从79.9提高到90.3。这些LED器件良好的发光性能证实了Ca_9Na Zn_(1-y)Mg_y(PO_4)_7:Eu~(2+)荧光粉在全可见光谱固态照明领域具有潜在应用价值。此外,在398 K时该材料的最大相对灵敏度S_r为0.81%K~(-1),表明Ca_9Na Zn(PO_4)_7:1.0%Eu~(2+)荧光粉可应用于光学温度传感。同时,随着压力增加Ca_9Na Zn(PO_4)_7:1.0%Eu~(2+)荧光粉发射峰红移速率为dλ/d P≈5.21 nm/GPa,表明这种荧光粉在光学压力传感领域具有潜在的应用。


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