稀土离子掺杂的白光LED用硅酸盐荧光粉及NaGdTiO_4上转换荧光粉的性能研究

【摘要】：稀土元素由于其独特的电子组态能级之间的跃迁,导致其优越的发光性能,例如寿命长、发光效率高、光谱覆盖范围宽等,因而在荧光显示,防伪,癌症治疗,固体激光器,白光LED(简称W-LED)和上转换器件等领域存在巨大的应用价值,长期受到学者们的广泛关注。其中,W-LED具有体积小、寿命长、节能、环保以及稳定性高等优点,已经在照明、显示器和背光源有了应用。目前,商业W-LED是将蓝光LED芯片与黄色荧光粉YAG:Ce~(3+)结合来实现白光。LED工作时,发光材料受器件高温影响出现热猝灭而导致色坐标的偏移和发光效率降低,从而使器件性能变差。同时,由于该方法缺少红光部分,因而具有显色指数低、色温高的缺点。因此开发高热稳定性的红色发光材料对于W-LED器件性能的提升具有重要意义。稀土上转换材料光稳定性强、发射带窄、荧光寿命长、化学稳定性高、潜在生物毒性低,并且采用近红外连续激发光源激发还使其具有较大的光穿透深度,因而在荧光温度探测方面具有巨大的潜在应用。此外,NaGdTiO_4粉末机械强度以及物理化学稳定性高,其制备工艺简单、对环境条件要求低以及制备成本低廉等突出优点,且在上转换方面的研究较少,因此值得进一步探究该基质的上转换特性以及在温度传感方面的应用。具体研究内容主要如下:1、第一章主要介绍了稀土元素结构和电子组态,W-LED的实现原理、构成、发展现状等,上转换发光发展史、发光机理、基质类型以及应用,荧光温度探测原理。2、第二章主要研究了Ca_2Y_8(SiO_4)_6O_2:Eu~(3+)荧光粉材料的制备、结构、荧光特性及其在白光LED方面的应用。通过高温固相法合成了高热稳定性、具有六方晶相的Ca_2Y_8(SiO_4)_6O_2:Eu~(3+)荧光粉。利用X射线衍射和扫描电子显微镜对样品的结构和形貌进行了系统的结构表征。通过XRD图谱中出现衍射峰的偏移,精修图谱得到的晶格常数大小的改变以及发射光谱中的Stark劈裂现象,表明Eu~(3+)进入到了基质晶格中。将所得样品Ca_2Y_8(SiO_4)_6O_2:Eu~(3+)与蓝色荧光粉BaMgAl_(10)O_(17):Eu~(2+)和绿色荧光粉BaSiO_4:Eu~(2+)以及近紫外LED芯片(395 nm)进行封装,在不同电流激发下(20-140 mA),均获得了显色指数高于92、色温低于4000 K的暖白光。表明Ca_2Y_8(SiO_4)_6O_2:Eu~(3+)在W-LED领域具有非常好的潜在应用。3、第三章的内容是NaGdTiO_4:Yb~(3+)/Tm~(3+)荧光粉的制备、结构及其温度传感特性研究。通过高温固相法合成了具有正交晶系的NaGdTiO_4:Yb~(3+)/Tm~(3+)上转换发光材料。利用X射线衍射和扫描电镜对样品的结构和形貌进行了结构表征。实验结果中XRD图谱的衍射峰的偏移、晶格常数的变化以及发射光谱的Stark劈裂现象,表明Yb~(3+)和Tm~(3+)离子进入到了NaGdTiO_4基质晶格中。基于Tm~(3+)的热耦合能级~3F_(2,3)和~3H_4具有较大的能级差,对NaGdTiO_4:Yb~(3+)/Tm~(3+)的温度传感性能进行了研究,在433 K时的最大相对灵敏度S_R为1.36%K~(-1),结果表明NaGdTiO_4:Yb~(3+)/Tm~(3+)材料在温度探测方面存在非常好的应用前景。4、第四章对本论文的主要工作进行了总结和展望。