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新型氧氮化物荧光材料的开发及优化

蔡超  
【摘要】:进入21世纪以来,环境污染和能源的过渡消耗日益严重,节能环保成为了这个时期的主题。在照明显示领域,同样掀起了节能热潮,传统的照明器具(白炽灯、高压钠灯等)和显示技术(CRT、FED等)已逐渐被人们所抛弃,取而代之的是白光LED显示照明器件,白光LED以其能耗少、寿命长、污染小、工作电压低等特点逐渐受到人们的亲睐。 传统实现白光LED的方案为蓝光LED芯片复合YAG:Ce3+黄色荧光粉体,此方案从研发成功一直沿用至今已有十几年历史,但是随着人们将LED应用在大规模显示技术上,传统方案的显色指数(75)已不能满足人们的需求,以三基色为配色方式的白光LED方案逐渐进入高端显示领域,考虑到成本因素,一般不采取纯芯片结构,采取的方案主要有两种:用蓝光芯片复合可被蓝光激发的黄绿色荧光粉与红色荧光粉方案;紫外芯片复合可被紫外激发的红绿蓝三色荧光粉方案。从中我们可以看到,不管是哪一种方案,作为光转换材料的荧光粉都是必不可少的,荧光材料的性质直接影响到LED器件的成本和质量。因此,开发出成本廉价、制备简单、性质优异的荧光材料是白光LED照明显示领域的重要课题。 随着显色指数和节能环保要求的不断提高,稳定性差、色度单一的传统稀土掺杂的氧化物、硫化物体系荧光粉体的参数已不能满足技术需求,稀土掺杂的(氧)氮化物材料以其稳定的化学性质、多样化的晶体结构、丰富的光谱性质、高量子效率、较小温度猝灭等优异的性质逐渐崭露头角。但在此领域一直有一个阻碍其发展和商业化的因素:传统(氧)氮化物材料合成条件苛刻。特殊的原材料、高温、高压、保护气氛等条件大大的提高了合成成本,而且过高的合成温度导致的粉体团聚也给荧光材料在LED封装上带来了不便。本论文立足于解决目前LED用(氧)氮化物荧光材料商业化的症结来开展课题,通过研发新型低温(氧)氮化物物相和开发有效、廉价制备工艺来解决业界的难点问题。为新型荧光粉体的开发提供了新的思路,也为(氧)氮化物粉体商业化提供了新的解决方案, 本论文分为六章: 第一章绪论,介绍了发光以及人造光源的历史和发展,对发光材料的常用参数做了简介,对目前几种常用的稀土掺杂(氧)氮化物荧光材料的晶体结构、光致发光性能、科学前研进行了简单的介绍和分析,结合目前商业化的难点和科学发展的热点提出本论文的立足点和和工作思路。 第二章为实验部分,主要介绍了文章中所用的试剂、合成方案、制备设备、测试方案及仪器。 第三章报道了,通过寻找中间相的方法,成功开发出了适合稀土掺杂的Ca2AlSi3O2N5和Ca2Si3O2N4氧氮化物物相,并利用能量转移原理对Ca2AlSi3O2N5:Eu2+荧光粉体进行了优化。研究表明:该两种粉体均可以在1450℃的烧结温度下呈相,这相比于传统SiAlON基材料的烧结温度降低了300℃之多,它们优秀的光致发光性能和与紫外LED光谱的高度匹配性,使它们具有应用在紫外LED用三基色荧光粉的潜质;我们通过能量转移原理用Ce3+作为敏化剂对Ca2AlSi3O2N5:Eu2+进行了优化,将其发射光谱强度提高了近50%,通过实验和理论计算拟合的方法,明确了能量传递机理和临界距离。 第四章报道了一种新型制备纳米AIN:Eu2+荧光粉体的方案,这是学术界首次制备出具有如此小粒径(15nm)的纳米氮化物荧光粉体。我们模仿制备纳米氧化物的溶胶凝胶法,成功利用AlCl3为原料,三乙胺为氮源制备有机前驱体后直接分解为AlN,这种方案可以在1200℃即制备出结晶良好的AlN:Eu2+纳米荧光粉体,克服了学术界中Eu2+难以掺入AlN晶格的难题,我们对反应条件进行了适当的优化,对反应机理给出了合理的解释。纳米氮化物荧光粉体的问世将为荧光粉体的封装提供便利,也为氮化物荧光粉体在荧光示踪领域的应用开启新的篇章。 第五章以目前商业化最广泛的红色氮化物荧光粉CaAlSiN3:Eu2+荧光粉体为目标产物,设计开发了一种利用廉价电石制备此种粉体的方案,该方案相比于传统的金属氮化等方案,具有可操作性强,制备成本低的优势。我们利用气相氮化还原和加入添加剂的办法克服了反应中的不利因素:碳。有效的制备出该种红色荧光粉体,并对其光致发光性能、寿命等进行了测试,对发光机理和化学合成机理进行了深入的探索。此方案的研究成功将对CaAlSiN3:Eu2+红粉的大规模商业化具有指导性意义。 第六章为本论文的总结和展望,也指出了论文的不足和可以在今后继续深入探讨的问题。


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