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(近)紫外白光LED用几种氧化物基发光材料的制备及其发光性能研究

朱革  
【摘要】:白光发光二极管(light emitting diodes, LED)乍为新一代的照明光源,由于其长寿命、节能度高、绿色环保等显著特征,正在开启人类照明领域的新一次革命。目前市场主流的白光LED采用的是荧光转化型白光LED(简称pc-LED),其中发光材料作为pc-LED的重要组成部分,其性能的优劣直接影响到白光LED器件的性能,受到了人们的广泛关注。目前采用pc-LED获得白光的方式可以主要分为两大类:蓝光芯片复合YAG:Ce3+黄色发光材料和(近)紫外芯片复合红、绿蓝三基色发光材料。本论文针对目前(近)紫外芯片匹配发光材料所存在的若干问题,通过材料设计、合成方法探索、晶体结构精细化以及光谱性能表征等手段,系统研究了几种新型绿、红以及白色发光材料制备及其发光特性。主要内容如下:1.针对目前(近)紫外白光LED用绿色发光材料存在的一些问题,利用固相法成功制备了三种绿色发光材料Sr4La2Ca4(PO4)6O2:Ce3+,NaBaScSi2O7:Eu2+, CaZr4(PO4)6:Eu2+。通过晶体结构精修、光谱表征等手段,研究了其晶体结构、发光特性以及其晶体场环境对其发光性能的影响。在紫外激发下,Sr4La2Ca4(PO4)6O2:Ce3+发光材料表现出主峰位于506 nm的绿光宽带发射,其发射强度经过测试为商用粉LMS520B的78.6%。通过与商用红粉以及紫外芯片封装后可以得到性能较好的白光LED器件。NaBaScSi2O7:Eu2+,在406 nm激发下表现为峰值位于506 nm的高效绿光发射,发射强度高达LMS520B的89%,且具有非常好的热稳定性。采用局域密度近似的方法研究了NaBaScSi2O7的能带结构以及带隙大小。通过微量Eu2+掺杂样品的选择激发光谱以及荧光寿命测试详细研究了Eu2+在NaBaScSi2O7中的格位占据情况。研究Eu离子的氧化还原机理方面,在空气气氛下制备的Eu3+掺杂的CaZr4(PO4)6样品中发现了Eu3+离子的自还原现象。紫外激发发现,样品的发射峰表现为主峰位于496 nm的绿光发射。通过发射光谱、荧光寿命以及EPR、XPS等表征手段,证明了在CaZr4(PO4)6中Eu2+和Eu3+共存的事实,同时提出了Eu3+发生自还原现象的机理,并通过电荷补偿手段对其进行了验证。2.针对目前(近)紫外白光LED用红色发光材料存在的一些问题,利用固相反应法制备了Eu3+激活的新型高效的红色发光材料Ca19Mg2(PO4)14:Eu3+。通过XRD结构精修对其晶体结构以及阳离子周围晶体场情况进行了具体研究。Eu3+离子进入晶格后随机进入Ca2+离子格位(非对称中心)。漫反射光谱测试表明发光材料在紫外区域具有较强的吸收。在393 nm激发下,样品表现出主峰值位于612 nm的尖峰发射,发射强度为Y2O3:Eu3+的1.97倍,且热稳定性能较好。结合精修得到的晶体结构信息对其特征发射光谱与其晶体结构的关系作了系统地讨论。同时通过Arrhenius激活能模型对其热猝灭过程进行了解释,利用位型组态坐标对其反常的Eu3+离子高能级跃迁发射的热猝灭光谱以及热猝灭机理进行了详细研究。3.针对目前(近)紫外芯片匹配三基色发光材料所得白光LED存在的一些问题,利用高温固相法成功制备了单一基质白光发光材料Ca5La5(SiO4)3(PO4)3O2: Ce3+, Mn2+和Sr10[(PO4)5.5(BO4)0.5](BO2):Eu2+, Tb3+, Mn2+。在Ca5La5(SiO)2:Ce3+, Mn2+中,通过光谱分析以及荧光寿命等方法对Ce3+、Mn2+在Ca5La5(SiO4)3(PO4)3O2中的发光特性、格位占据情况以及Ce3+-Mn2+离子对之间能量传递情况做了系统研究。基于Ce3+-Mn2+之间高效的能量传递,在Ca5La5(SiO4)3(PO4)3O2:Ce3+, Mn2+系列样品中可以实现颜色可调的白光发射。在Sr10[(PO4)5.5(BO4)0.5](BO2):Eu2+, Tb3+, Mn2+中,通过晶体结构精修、晶体结构分析以及发光光谱表征等手段系统研究了Eu2+、Mn2+在Sr10[(PO4)5.5(BO4)0.5](BO2)中的格位占据情况以及发光性能。同时利用衰减时间以及发射光谱证明了Eu2+、Mn2+之间发生的能量传递情况并对其能量传递效率进行了计算。共掺杂Tb3+后,通过调节Tb3+离子以及Mn2+离子的掺杂浓度,在Sr10[(PO4)5.5(BO4)0.5](BO2)中获得了色坐标为(0.37,0.30),色温为3512 K的暖白光发射。


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