白光LED用窄带红光荧光粉的制备与光谱性质的研究

论文摘要

随着科学技术日新月异的发展,光电照明技术也在与时俱进,从19世纪的白炽灯到如今的发光二极管（LED）,光电转化效率得到了显著的提高。LED由于具有绿色环保,寿命长,亮度高等优异性能吸引了广大研究工作者的目光。迄今为止已广泛投入商业生产的方式有以下两种:1、InGaN/GaN蓝光芯片和YAG(Y3Al5O12):Ce3+黄光荧光粉组合;2、近紫外LED（n-UV）和三基色荧光粉组合。在这两种方法中,荧光粉都是LED器件中的核心成分。运用荧光粉和LED芯片组合的方式去实现白光的工艺相对简单,成本较低,但是要想制备亮度高,环保节能,持续稳定的白光LED,就需要开发出高品质的荧光粉。第一种方法的不足之处在于有效红光成分的缺失,导致荧光粉显色性和色温不佳（Ra<80,CCT>4000K）,当下最常用的红光荧光粉的激活剂是Eu3+,Eu2+,虽然在稀土材料中Eu2O3较为便宜,但是常常需要采用耗能低效的高温固相法制备,使得成本较高,不利于工业生产以及推广使用LED,因而现阶段我们需要制备一种既能在较低温度下合成又不需要用昂贵的稀土化合物做原料的高效能红光荧光粉。较第一种方案,第二种方案的优点是紫外光比蓝光更加高能,意味着制备出的白光光效更佳,缺陷在于三基色荧光粉之间存在再吸收和匹配不足的问题,拉低了整体发光效率,目前探索出最好的改进方式是选用能被NUV LED芯片激发的掺杂激活剂、敏化剂离子的单一基质荧光粉去取代三基色荧光粉。本论文基于以上两种方案,旨在制备出白光LED（w-LED）用荧光粉:1、能被蓝光LED激发的廉价高效的窄带红光荧光粉,与蓝光LED芯片和黄光荧光粉搭配,配合成白光;2、能被NUV LED激发的掺杂多发光中心的单一基质荧光粉,利用发光中心之间的能量传递去实现调整型发光,即同时实现白光和窄带红光。开展了以下实验且得到的成果如下:（1）采用两步法合成了以氟化物Ba2ZrF8为基质,用过渡金属离子Mn4+作为激活剂的Ba2ZrF8:Mn4+红光荧光粉,研究掺杂离子浓度,反应物之间的比例对荧光粉发光性能,晶体结构,表面形貌的影响。实验结果显示:该晶体是由很多形状不规则,表面光滑,边缘清晰的粒子所组成,改变Mn4+的掺杂浓度会对晶体形貌产生一定的影响,反应物比例的改变不会严重影响晶格,但是会影响其发光强度。Ba2ZrF8:Mn4+荧光粉可以被蓝光LED所激发,且发光性较好,按照发射光谱计算CIE色度坐标得x=0.68,y=0.32,位于红光区。（2）用两步法合成CsNaGeF6:Mn4+红光荧光粉,有位于460 nm处的特征激发峰,和位于630 nm处的窄带发射峰,说明这种材料可以被蓝光LED所激发。尚且未知其晶体结构,研究发现其XRD衍射峰位置和CsNa(Ge0.5Sn0.5)F6标准卡片相近,但是峰位整体向左偏移,因此推断CsNaGeF6晶体可能也属于空间群pbcm。晶体呈棒状,形状规则,表面光滑,边缘清晰,尺寸平均为2μm左右,在商业应用范围内（15μm）,基质带隙较宽为0.52eV,适于用做稀土发光材料。造成CsNaGeF6:Mn4+红光荧光粉浓度猝灭的能量传递机制是d-d相互作用。热稳定性较好,在150℃时发光强度约为室温时50%,且一开始发光强度随温度升高变化趋势不明显,根据Arrhenius公式算出活化能ΔE=0.69 eV。（3）采用高温固相法合成NaY9（SiO4）6O2:Bi3+,Eu3+荧光粉,研究改变掺杂离子浓度、激发波长、温度等对晶体结构、形貌、发光强度、激发发射波长的影响。结果显示,改变激发波长（335-370 nm）,特征发射也随之发生了变化,当激发波长增大时,506 nm处特征峰会逐渐降低,410 nm处特征峰逐渐变得明显,这种现象说明在NYSO基质中可能存在两个不同的Bi3+发光中心。同时Bi3+,Eu3+之间可以通过有效的能量传递去调节发光颜色,同时实现白光和红光增强。样品的活化能?E为0.25eV,在150℃时的发光强度为25℃时的78%,即热稳定性良好,可满足商业化应用需求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 白光LED的简介
•     1.1.1 白光LED的历史与发展
•     1.1.2 白光LED的基本原理以及封装方式
•     1.1.3 白光LED的实现方式
•     1.1.4 白光LED存在的问题
•   1.2 白光LED用荧光粉的研究现状
•     1.2.1 基于蓝光LED芯片激发的红光荧光粉
•     1.2.2 基于紫外LED芯片激发的荧光粉
•   1.3 荧光粉的制备方法
•     1.3.1 水热法与溶剂热法
•     1.3.2 高温固相法
•     1.3.3 微波合成法
•     1.3.4 化学共沉淀法
•     1.3.5 溶胶凝胶法
•   1.4 选题意义及研究内容
• 第二章 实验部分
•   2.1 原料及试剂
•   2.2 实验制备仪器
•   2.3 实验制备方法
• 2ZrF₈:Mn⁴⁺和CsNaGeF₆:Mn⁴⁺红光荧光粉的制备'>    2.3.1 Ba₂ZrF₈:Mn⁴⁺和CsNaGeF₆:Mn⁴⁺红光荧光粉的制备
• 9（SiO₄）₆O₂:Eu³⁺,Bi³⁺荧光粉'>    2.3.2 用高温固相法合成NaY₉（SiO₄）₆O₂:Eu³⁺,Bi³⁺荧光粉
•   2.4 样品的表征手段
•     2.4.1 X-射线粉末衍射（XRD）
•     2.4.2 扫描电镜测试（SEM）
•     2.4.3 漫反射光谱测试（DRS）
•     2.4.4 荧光光谱分析（PL）
•     2.4.5 荧光寿命测试
•     2.4.6 变温光谱测试
• 2ZrF₈:Mn⁴⁺红光荧光粉的合成及其性能的研究'>第三章 白光LED用的Ba₂ZrF₈:Mn⁴⁺红光荧光粉的合成及其性能的研究
•   3.1 引言
• 2ZrF₈:Mn⁴⁺红光荧光粉的制备及表征'>  3.2 Ba₂ZrF₈:Mn⁴⁺红光荧光粉的制备及表征
•   3.3 结果与讨论
• 2ZrF₈:Mn⁴⁺红光荧光粉的结构分析'>    3.3.1 Ba₂ZrF₈:Mn⁴⁺红光荧光粉的结构分析
• 2ZrF₈:Mn⁴⁺红光荧光粉的表面形态及组成分析'>    3.3.2 Ba₂ZrF₈:Mn⁴⁺红光荧光粉的表面形态及组成分析
• 2ZrF₈:Mn⁴⁺红光荧光粉的发光性能的研究'>    3.3.3 Ba₂ZrF₈:Mn⁴⁺红光荧光粉的发光性能的研究
• 2ZrF₈:x Mn⁴⁺红光荧光粉的浓度猝灭'>    3.3.4 Ba₂ZrF₈:x Mn⁴⁺红光荧光粉的浓度猝灭
• 4:KHF₂对Ba₂ZrF₈:Mn⁴⁺红光荧光粉发光强度的影响'>    3.3.5 KMnO₄:KHF₂对Ba₂ZrF₈:Mn⁴⁺红光荧光粉发光强度的影响
• 2ZrF₈:Mn⁴⁺红光荧光粉的衰减曲线'>    3.3.6 Ba₂ZrF₈:Mn⁴⁺红光荧光粉的衰减曲线
•   3.4 本章小结
• 6:Mn⁴⁺红光荧光粉的合成及其性能的研究'>第四章 白光LED用 CsNaGeF₆:Mn⁴⁺红光荧光粉的合成及其性能的研究
•   4.1 引言
• 6:Mn⁴⁺红光荧光粉的制备及表征'>  4.2 CsNaGeF₆:Mn⁴⁺红光荧光粉的制备及表征
•   4.3 结果与讨论
• 6:Mn⁴⁺红光荧光粉的结构分析'>    4.3.1 CsNaGeF₆:Mn⁴⁺红光荧光粉的结构分析
• 6:Mn⁴⁺红光荧光粉的表面形态及组成分析'>    4.3.2 CsNaGeF₆:Mn⁴⁺红光荧光粉的表面形态及组成分析
• 6:Mn⁴⁺红光荧光粉的发光性能的研究'>    4.3.3 CsNaGeF₆:Mn⁴⁺红光荧光粉的发光性能的研究
• 6:Mn⁴⁺红光荧光粉的浓度猝灭'>    4.3.4 CsNaGeF₆:Mn⁴⁺红光荧光粉的浓度猝灭
• 6:Mn⁴⁺红光荧光粉的衰减曲线'>    4.3.5 CsNaGeF₆:Mn⁴⁺红光荧光粉的衰减曲线
• 6:Mn⁴⁺红光荧光粉的热稳定性'>    4.3.6 CsNaGeF₆:Mn⁴⁺红光荧光粉的热稳定性
•     4.3.7 暖白光LED的制备与性能分析
•   4.4 本章小结
• 9（SiO₄）₆O₂:Bi³⁺,Eu³⁺荧光粉的调整型发光及红光增强的光谱性质研究'>第五章 白光LED用 NaY₉（SiO₄）₆O₂:Bi³⁺,Eu³⁺荧光粉的调整型发光及红光增强的光谱性质研究
•   5.1 引言
• 3+,Eu³⁺荧光粉的制备及表征'>  5.2 NYSO:Bi³⁺,Eu³⁺荧光粉的制备及表征
•   5.3 结果与讨论
• 3+,Bi³⁺荧光粉的结构分析'>    5.3.1 NYSO:Eu³⁺,Bi³⁺荧光粉的结构分析
•     5.3.2 漫反射光谱及带隙
• 3+的发光性能以及浓度猝灭'>    5.3.3 NYSO:Bi³⁺的发光性能以及浓度猝灭
• 3+的激发依赖及衰减曲线'>    5.3.4 NYSO:Bi³⁺的激发依赖及衰减曲线
• 3+的温度猝灭'>    5.3.5 NYSO:Bi³⁺的温度猝灭
• 3+,Eu³⁺荧光粉的能量传递'>    5.3.6 NYSO:Bi³⁺,Eu³⁺荧光粉的能量传递
• 3+,Eu³⁺荧光粉的激发依赖和颜色调节'>    5.3.7 NYSO:Bi³⁺,Eu³⁺荧光粉的激发依赖和颜色调节
• 3+,Eu³⁺共掺实现红光增强'>    5.3.8 Bi³⁺,Eu³⁺共掺实现红光增强
• 3+,Eu³⁺的衰减曲线'>    5.3.9 NYSO:Bi³⁺,Eu³⁺的衰减曲线
• 3+,Eu³⁺荧光粉的热稳定性分析'>    5.3.10 NYSO:Bi³⁺,Eu³⁺荧光粉的热稳定性分析
• 3+,Eu³⁺荧光粉的电子跃迁方式'>    5.3.11 NYSO:Bi³⁺,Eu³⁺荧光粉的电子跃迁方式
• 3+,Eu³⁺荧光粉的能量传递方式示意图'>    5.3.12 NYSO:Bi³⁺,Eu³⁺荧光粉的能量传递方式示意图
•   5.4 本章小结
• 第六章 全文总结
•   6.1 总结
•   6.2 创新点和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间已发表的论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 谷茗

导师: 田跃

关键词: 白光,掺杂的红光荧光粉,调整型发光,能量传递

来源: 太原理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 太原理工大学

分类号: O482.31;TN312.8

总页数: 82

文件大小: 6167K

下载量: 251