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暖白光LED用Mn~(4+)掺杂的红色荧光粉的制备与光学性质研究

【摘要】:白光LED以其高效,节能环保,性质稳定等优点,被人们广泛使用在各个领域,但由于缺少红光的补偿的作用,导致部分白光LED显色指数低(Ra80),色温高(CCT4500K),限制了其进一步使用。近年来稀土离子掺杂的红光荧光粉被广泛研究,如Eu~(3+)或Sm~(3+)掺杂的荧光粉,但这些荧光材料由于稀土价格贵,发射光谱宽泛导致色纯度偏低。而非稀土掺杂的红色荧光粉因为成本低廉,制备工艺简单,近年来成为荧光粉研究领域的热点,受到了科学家们的广泛关注。特别是以Mn~(4+)作为激活剂的荧光粉。Mn~(4+)离子在八面体晶体场中发生~2Eg→~4A_(2g)的能级跃迁形成深红色窄带发射,其红光能够用于暖白光LED的制备。本论文通过传统的高温固相法合成了一系列新型、高效四价锰掺杂的红色荧光粉,通过X射线衍射(XRD)、电子扫描显微镜(SEM)、紫外可见吸收光谱(UV-vis)、荧光光度计等表征手段深入研究材料的形貌特征,荧光性质,热猝灭等机理,同时还将荧光粉制备成LED器件以证明其实用性。主要研究内容如下:(1)通过高温固相法成功合成四价锰掺杂的红色荧光粉Sr_2LaNbO_6:Mn~(4+)。该荧光粉可被300 nm~500 nm的激发光激发并发出深红色的亮光。位于694 nm处的特征发射峰对应于Mn~(4+)的自旋禁阻跃迁。荧光寿命随着锰离子浓度的增加从0.815 ms下降到0.512 ms,这是由于Mn~(4+)-Mn~(4+)电子对之间的能量交换造成的。通过300K到500K的变温荧光光谱,可计算得出其具有较高的活化能△M=~0.345 eV,证实该荧光粉优良的荧光热稳定性。(2)采用高温固相法合成了 Mg_2Al_4Si_5O_(18):Mn~(4+)荧光粉。硅铝酸盐Mg_2Al_4Si_5O_(18)属于一种低对称性的正交晶系,含有大量的八面体,处于中心的A1~(3+)离子非常适合被Mn~(4+)离子取代。在紫外可见吸收光谱中具有一个240nm~550nm的吸收峰,与激发光谱相对应。位于680nm处的荧光发射峰对应于Mn~(4+)的~2Eg→~4A_(2g)的能级跃迁。浓度猝灭机理是由于锰离子之间的偶极-偶极能量传递,经过计算可得临界距离Rc=~33.3 A。运用Mn~(4+)的能级图谱分析了荧光发光机理。同时,利用Racah常数B和C计算了Mn~(4+)在Mg_2Al_4Si_5O_(18)中的电子云重排效应β为0.996。温度荧光测试证实了该种荧光粉在高温下的荧光热稳定性。(3)通过高温固相法合成了Ba_2GdNbO_6:Mn~(4+)荧光粉。对双钙钛矿结构的基质Ba_2GdNbO_6进行了分析。采用SEM和热重分析分析了样品结构、晶体形貌和高温下的热稳定性。Ba_2GdNbO_6:Mn~(4+)的荧光光谱具有一个位于676 nm的特征发射峰,对应于Mn~(4+)电子的自旋禁阻跃迁~2Eg→~4A_(2g)。根据Tanabe-Sugano能级图谱计算晶体场强度Dq,Racah常数B和C分别为1931 m-1,855 cm~(-1)和 2859 cm~(-1),最后得到电子云重排系数β为0.9923。运用高温荧光分析探讨荧光粉在高温下的荧光强度变化趋势,发现荧光强度具有热猝灭现象。探讨了Ba_2GdNbO_6:Mn~(4+)荧光粉在红光LED器件中的应用。(4)采用高温固相法合成了 Ba2YNb06:Mn~(4+)红色荧光粉,通过XRD表征研究了该荧光粉的纯度和晶体结构。运用红外和拉曼光谱分析了样品的键能和离子取代格位。在紫外可见光谱分析中,观察到了范围在280 nm到600 nm之间的吸收峰,说明该物质能够被紫外光/蓝光有效激发。在荧光发射光谱中,观察到一个位于695 nm的发射峰。通过T-S能级图分析了电子跃迁的荧光发光机理,并计算得到电子云重排系数β1值为1.0744,晶体场强度Dq,Racah常数B和C分别为1912 cm~(-1),869 cm~(-1)和3314 cm~(-1)。对高温和低温下的荧光发射强度进行了探究,分析荧光热猝灭现象和反托克斯发射增强现象。对浓度猝灭的特征系数活化能AE进行了计算。最后封装制备成的发光二极管具有良好的显色指数和色温。

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