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白光LED用铈铽激活高效蓝、绿荧光粉发光性能的研究

【摘要】:白光LED即产生白光发射的发光二极管(white light emitting diodes),简称wLED,具有高效,耐用,环保等诸多优点。这项技术的发明开启了照明产业的新纪元。第一代白光LED照明技术是通过蓝光芯片+黄色荧光粉(Y_3Al_5O_(17):Ce~(3+),简称YAG)。这种方式获得的白光,色温较高(CCT5000K),显色指数较低(Ra80)。为了抢占高端照明市场,就需要制备出高显色性白光LED。目前,实现高显色性白光LED的技术路径主要有两种。一是蓝光LED+绿色和红色荧光粉,二是紫外或近紫外LED+蓝色/绿色/红色荧光粉,两种方案各有优势,同步发展。因此,开发出高效率、高热稳定性LED用荧光粉十分重要,而推动LED用荧光粉的发展离不开制备思路的进步,理论规律的总结与探索等等。本论文通过掺杂La_2O_3稳定了Ba_2Lu_5B_5O_(17)的晶体结构,制备出高效蓝色荧光粉;借助能量传递原理制备了一系列高效的蓝绿色荧光粉Ba_2Ln_5B_5O_(17):Ce~(3+),Tb~(3+)(Ln=Y,Lu);对Ce~(3+)-Tb~(3+)体系中绿光发射热稳定性进行了分析,首次发现了Ce~(3+)-Tb~(3+)之间能量传递的“快过程”,并成功构建了一种Ce~(3+)-Tb~(3+)体系荧光粉热稳定性理论模型;基于一篇关于“零热猝灭”理论来解释Tb~(3+)热稳性的热点文章提出了自己的观点,并给出了合理的解释与结论;通过化学单元共取代法制备出了一种可被蓝光芯片有效激发,且具有高效、高热稳定性的绿色荧光粉,解决了蓝光LED+黄色荧光粉在光谱分布上存在的蓝绿缺失问题,并制备出了全光谱白光LED等。本论文具体研究内容如下:(1)纯粹的Ba_2Lu_5B_5O_(17)晶体结构是很难获得。为了能够有效地稳定Ba_2Lu_5B_5O_(17)晶体结构,我们在初始原料中,用更大半径的La~(3+)来部分取代Lu~(3+)。测试结果表明,当添加2%La~(3+)时,成功制备出纯粹的Ba_2Lu_5B_5O_(17)晶体。在348nm激发下,BLLB:Ce~(3+)的内量子效率高达92%。发射峰位于443nm。掺杂1%Ce~(3+)时,发光最强。(2)我们利用高温固相法制备出了一系列高效、高热稳性能的绿色荧光粉Ba_2Y_5B_5O_(17):Ce~(3+),Tb~(3+)。在近紫外区域,通过激发Ce~(3+),Ba_2Y_5B_5O_(17):Ce~(3+),Tb~(3+)同时具有Ce~(3+)蓝光发射带和Tb~(3+)的窄带发射。基于Ce~(3+)向Tb~(3+)的能量传递,实现了材料由蓝光向绿光的调制。样品中,固定Ce~(3+)浓度为1%,改变Tb~(3+)的浓度(0~40%),研究了它们的发光性质,并发现了Ce~(3+)和Tb~(3+)之间能量传递快过程。Ba_2Y_5B_5O_(17):1%Ce~(3+),20%Tb~(3+)的内外量子效率分别为76%和55%。(3)Ce~(3+)-Tb~(3+)共掺杂的绿色荧光粉已经得到了广泛且深入地研究,但Ce~(3+)-Tb~(3+)体系荧光粉很少同时具备高效率和高热稳定性。本论文报道了一种利用高温固相法制备的新型绿色荧光粉Ba_2Lu_5B_5O_(17):Ce~(3+),Tb~(3+)。以Tb~(3+)发射为主的绿色荧光粉的量子效率高达86%,在303-483K温度区间内保持了很好的热稳定性。提出了一种机理模型,用来解释Ce~(3+)-Tb~(3+)之间,Tb~(3+)的发光热稳定性优于Ce~(3+)的现象。利用这种机理模型可以准确地预测Tb~(3+)的发射强度随温度的变化。我们使用Ba_2Lu_5B_5O_(17):Ce~(3+),Tb~(3+)作为绿色荧光粉制备出了高显色性,低色温的紫外基白光LED,表明该荧光粉有前景应用于pc-wLED。(4)一篇热点文章关于零热猝灭的Tb~(3+)掺杂的Sr_8ZnSc(PO_4)_7荧光粉,引起了我们的关注。这种零猝灭机制是由Kim等人针对Eu~(2+)掺杂荧光粉提出,认为是热激活的缺陷能级向发光中心的能量传递所致。本论文对Sr_8ZnSc(PO_4)_7:Tb~(3+)荧光粉的应用潜力和缺陷能级向发光中心产生能量传递的证据等方面提出了自己的观点。(5)传统的白光LED技术(蓝光LED+黄色荧光粉)在光谱上存在所谓“蓝绿凹陷”的问题。能被蓝光芯片有效激发,同时在490nm处可以高效发光的荧光粉还十分的缺乏。本论文中报道了一种新型绿色荧光粉Lu_2SrAl_4SiO_(12):Ce~(3+)(LSAS:Ce~(3+)),基于石榴石结构通过化学单元共取代法设计。该荧光粉的发射可以有效解决蓝光LED+黄色荧光粉在光谱分布上存在的蓝绿缺失的问题。更为重要的是,LSAS:Ce~(3+)热稳性性极佳,在473K(200℃)几乎不猝灭,量子效率高达93.3%。利用该荧光粉制备出了高显色性暖白光LED,Ra=97.6,R9=94,表明其在白光LED应用领域有着极大的潜力。

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