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稀土掺杂白光LED荧光粉的合成及其光谱性能研究

郭宇竹  
【摘要】: 本论文主要涉及稀土离子掺杂的白光LED荧光粉材料的制备及其光学性能的研究,包括采用高温固相法合成的RE(RE=Ce~(3+), Eu~(2+), Tb~(3+))掺杂Ca_2BO_3Cl荧光粉材料、Eu~(2+)-激发的SrLaAlO_4红光发射荧光粉材料以及Eu~(2+)掺杂的Na1-xAl1-xSi1+xO4白光荧光粉材料。应用了X射线衍射(XRD)、荧光发射光谱(PL)分析、透射电镜(TEM)、场发射扫描电镜(FESEM)以及紫外-可见光谱仪(UV-Vis)等测试手段对材料进行了表征,得到以下结论: 采用高温固相法合成了Ce~(3+)、Eu~(2+)、Tb~(3+)掺杂Ca_2BO_3Cl荧光粉以及Ce~(3+),Eu~(2+)共掺杂的Ca_2BO_3Cl荧光粉。分别合成Ca_2BO_3Cl:Ce~(3+)蓝光荧光粉(350 nm激发,416 nm发射)、Ca_2BO_3Cl:Eu~(2+)(387 nm激发,570 nm发射)黄光荧光粉、Ca_2BO_3Cl:Tb~(3+)绿光荧光粉(398 nm激发,544 nm发射)。以及Ca_2BO_3Cl:Ce~(3+)荧光粉。Ca_2BO_3Cl:Ce~(3+), Eu~(2+)是以350 nm激发,416 nm与570 nm共发射的白光荧光粉。通过能量转换效率?T的计算,得到Ce~(3+)→Eu~(2+)最大能量转换效率?T大约为84%。Ce~(3+)→Eu~(2+)能量传递是Eu~(2+)发射光谱的强度增强的主要原因。并且通过理论计算证明,在Ca_2BO_3Cl:Ce~(3+),Eu~(2+)荧光粉体系中,电偶极子-偶极子间的相互作用在Ce~(3+)向Eu~(2+)的能量传递机理中起主导性作用。Ca_2BO_3Cl:Ce~(3+),Eu~(2+)紫外激发的白光LED中具有潜在的应用价值。 采用高温固相法合成了SrLaAlO_4:Eu~(2+)红色荧光粉。SrLaAlO_4:Eu~(2+)在420 to 530 nm区域具有较宽的激发光谱,以445 nm激发获得橙光发射(λem = 605 nm)。可作为与蓝光LED相匹配的白光LED用红色荧光粉。非中心对称结构的SrLaAlO_4晶格为掺杂剂Eu~(2+)提供了较大的晶体场劈裂环境,从而降低了Eu~(2+)离子的5d轨道能级。这是能够产生宽带激发光谱的原因。研究中我们发现,分别以254 nm与445 nm激发,其发射峰由锐线峰(254 nm激发)转变为波峰(445 nm激发)。254 nm激发所产生的锐线峰可归结为晶体中存在了少量的Eu~(3+)离子取代基质中的La~(3+)离子,Eu~(3+)离子4f6-4f6电子跃迁所产生。SrLaAlO_4:xEu~(2+)荧光粉系列的最佳Eu~(2+)掺杂比例为x=0.03,当掺杂浓度超过x=0.03时,SrLaAlO_4:xEu~(2+)荧光粉则会发生浓度淬灭现象。通过色坐标计算得SrLaAlO_4:0.03Eu~(2+)荧光粉发射光的色坐标为(0.60,0.39),位于橙红区域。与商用YAG:Ce发射光的色坐标相比较而言SrLaAlO_4: Eu~(2+)荧光粉具有更多的红光成分,能够有效提高白光LED的显色指数CRI。因此SrLaAlO_4:0.03Eu~(2+)荧光粉对于暖白光LED具有潜在应用价值。 采用了高温固相法合成了Eu~(2+)掺杂的Na1-xAl1-xSi1+xO4荧光粉。通过调节不同量SiO_2后其激发与发射光谱。合成了具有两个发光中心( Eu1、Eu2 )的Na1-xAl1-xSi1+xO4:Eu~(2+)荧光粉。由于Eu~(2+)离子5d轨道对于其周围晶体场变化较为敏感,没有加入SiO_2之前,NaAlSiO4:Eu~(2+)荧光粉中,Eu~(2+)离子所取代的Na+离子格位后其发射峰位于440 nm处;加入SiO_2后,Na(1-x)Al_(1-x)Si_(1+x)O4:0.02Eu~(2+) (n=5)荧光粉产生了两个发射峰中心位于440 nm (Eu2发光中心)与538 nm(Eu1发光中心)处。由于加入了SiO_2,其网状硅酸盐的Al/Si比发生变化导致其结构扭曲,从而产生了两种不同晶体场环境的Na+离子格位(NaA和NaB格位)。当Eu~(2+)离子进入晶格发生取代时,则分别取代了NaA和NaB格位,从而产生了两种Eu~(2+)离子的发光中心,获取了440 nm和538 nm共发射的白光荧光粉。随着SiO_2加入量的变化Na(1-x)Al_(1-x)Si_(1+x)O4:0.02Eu~(2+)荧光粉发射的光谱分别位于黄绿色、绿色、青色、蓝色以及白色。Na(1-x)Al_(1-x)Si_(1+x)O4:0.02Eu~(2+)荧光粉具有多样的发射光,具有光色可调性。其在白光LED的应用当中具有潜在的应用价值。


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