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氧化物基白光LED荧光粉的设计与合成

【摘要】:荧光转换白光发光二极管,由于其具有的效率高、寿命长、低能耗、环境友好等优势,而被认为是下一代照明光源。荧光粉是荧光转换白光LED中实现白光发射的核心部分。现有的荧光粉体系中,严重缺少性能优异的氧化物荧光粉。因此,探寻高效优质的氧化物基荧光粉,与现有LED芯片匹配来实现白光发射是目前研究的重点。在荧光粉的探寻、制备过程中,急需总结荧光粉的筛选原则以及引入新的荧光粉的设计理念。 本文从总结荧光粉基质材料的晶体结构与发光性能的关系、以新的设计理念合成、制备高效优质荧光粉的角度出发,选用四类氧化物作为荧光粉的基质材料展开我们的研究工作: (1)设计、合成一类具有结构代表性的复合钙钛矿体系氧化物基红色荧光粉:MLnMgM'O6:Eu3+(M=Ca,Sr,Ba;Ln=La,Gd,Y;M'=Nb,Ta,Sb)。通过使用X射线衍射、激发和发射光谱、荧光量子效率等测试方法系统性的研究该体系荧光粉的结构特点和发光性能,并总结出适用于复合钙钛矿结构荧光粉的筛选原则。得到的性能优异的近紫外/蓝光激发的红色荧光粉Ca(La0.6Eu0.4)MgNbO6,其在466nm的蓝光激发下的量子效率高达18.1%,是一种潜在的白光LED用红色荧光粉。 (2)以在低容忍因子复合钙钛矿结构基质材料中引入钨酸根的设计理念,使用固相反应法合成NaLaMgWO6:/RE3+(RE=Eu, Sm, Tb)三基色荧光粉。通过X射线衍射、SEM、紫外可见吸收光谱、激发和发射光谱研究了样品的结构、形貌及发光性能。其中,NaLaMgWO6:Eu3+,是一种性能优异的近紫外/蓝光激发的红色荧光粉,在464nm的蓝光激发下,NaLaMgWO6:0.4Eu3+在荧光粉的量子效率为19.3%,是Y2O3:Eu3+的红色荧光粉的3倍,达到了另一种氮化物红色荧光粉Sr2Si5N8:Eu2+的104%,是商用黄色荧光粉Y3Al5O12:Ce3+的50.2%,是一种潜在的白光LED用红色荧光粉。进一步验证我们总结的高性能荧光粉的筛选原则的导向性意义,将选择较小容忍因子的复合钙钛矿结构基质材料与钨酸盐概念结合起来的荧光粉设计理念亦为其他研究者在筛选荧光粉方面提供了新的启发。 (3)以发光材料的能量转换为设计出发点,设计合成白光LED用单相Ca9MgM(PO4)7:Eu2+,Mn2+(M=Li, Na, K)和Ca9Al(PO4)7:Ce3+,Mn2+磷酸盐体系荧光粉。通过X射线衍射、紫外可见吸收光谱、激发和发射光谱、荧光衰减曲线等研究了样品的发光性能。其中,设计合成的Ca9MgM(PO4)7:Eu2+,Mn2+(M=Li, Na, K)磷酸盐荧光粉为一种紫外激发的单相荧光转换荧光粉;Ca9Al(PO4)7:Ce3+,Mn2+磷酸盐荧光粉为一种紫外激发的单相红色荧光粉。系统性的研究了Eu2+/Mn2+、Ce3+/Mn2+在各自体系中的能量传递过程和机制。 (4)提出复合基团(co-host)荧光粉设计、合成理念,选用Ca11(SiO4)4(BO3)2为基质材料,通过Al还原固相反应法合成紫外激发的复合基团单相白光发射荧光粉:Ca11(SiO4)4(BO3)2:Ce3+,Eu2+,Eu3+,并通过X射线衍射、激发和发射光谱、X射线光电子能谱等表征手段研究了其结构和发光性能。相比于已被广泛使用的基质材料Ca2SiO4、Ca3B2O6和Y3Al5O12, Ca11(SiO4)4(BO3)2展现出了优异的色彩平衡能力。深入研究了Ce3+/Eu2+/Eu3+单掺/共掺Ca11(SiO4)4(BO3)2荧光粉的发光性能、结构特点、荧光热稳定性及量子效率等性能及不同发光中心间的能量传递机制。通过在700℃用Al还原CSB:0.02Ce,0.005Eu样品8小时后,获得了紫外激发白光发射荧光粉,并最终成功的将Ce3+/Eu2+/Eu3+单掺/共掺Can11(SiO4)4(BO3)2荧光粉封装成LED器件。

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