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Ce3+离子激活及敏化的几种发光材料的制备及其性能研究

2020-12-02阅读(718)

Ce3+离子激活及敏化的几种发光材料的制备及其性能研究

论文摘要

白光LED由于其高寿命、高效率、低功耗、高亮度等优点,成为目前应用最为广泛的照明及显示光源。在白光LED的多种组合方式中,近紫外LED芯片与三基色发光材料的组合在实现高显色性的白光等方面具有独特的优势,成为目前的研究热点。本论文针对目前近紫外LED用发光材料存在的热稳定性不好和合成条件苛刻等问题,选取Ce3+作为发光中心或者敏化剂,通过高温固相法制备了几种具有简易合成条件的发光材料,并探索其结构与发光性能的联系。主要结果如下:1.合成了一种近紫外激发的蓝色发光材料K7Ca9[Si2O7]4F:Ce3+。通过结构表征和光谱分析等手段,研究其晶体结构和发光性能。在近紫外激发下,K7Ca9[Si2O7]4F:Ce3+的发射为峰值位于445 nm处的蓝光发射。K7Ca9[Si2O7]4F:Ce3+表现出优异的热稳定性,当温度达到200oC时,其发光强度依然可以保持室温发光强度的90%以上,同时色坐标的偏移小于1.5%。随着温度的升高,K7Ca9[Si2O7]4F:Ce3+的发光强度呈现出先升高再降低的反常现象,通过热释光等手段,分析表明这种现象可能是由于Ca2+被Ce3+不等价取代后产生的缺陷所致。结果表明,K7Ca9[Si2O7]4F:Ce3+优异的热稳定性和基质材料K7Ca9[Si2O7]4F的致密结构有一定的联系,这为今后寻找理想发光材料提供了一定的参考价值。2.制备了一种近紫外激发的绿色发光材料NaBaY（BO3）2:Ce3+,Tb3+。通过XRD结构分析和光谱测试等手段研究其晶体结构和发光性能。通过Dexter能量传递理论和Inokuti-Hirayama模型研究了NaBaY（BO3）2:Ce3+,Tb3+中以电偶极-电偶极相互作用为主导的能量传递现象。基于这种高效的能量传递作用,NaBaY（BO3）2:Ce3+,Tb3+可以被近紫外芯片有效激发,发射为峰值位于542 nm的绿光发射。NaBaY（BO3）2:Ce3+,Tb3+具有优于绿色商用粉（Sr,Ba）2SiO4:Eu2+的热稳定性,在200℃下可保持室温发光强度的70%以上。同时,NaBaY（BO3）2:Ce3+,Tb3+在长时间阴极射线轰击下表现出优异的强度稳定性和色坐标稳定性。当轰击时间达到80 min时,发光强度可保持初始强度的99%以上。结果表明,NaBaY（BO3）2:Ce3+,Tb3+一方面可以作为比较理想的近紫外LED芯片用绿色发光材料,另一方面,考虑其优异的阴极发光性能,NaBaY（BO3）2:Ce3+,Tb3+在FED（Field Emission Display）中也有较好的应用潜力。3.选取Ce3+和Mn2+作为敏化剂和激活剂,制备了一种近紫外激发的红色发光材料NaBaSc（BO3）2:Ce3+,Mn2+。结合第一性原理计算、XRD结构精修和时间分辨等手段,表明在晶格中存在三种Ce3+发光中心。基于以电偶极-电偶极相互作用为主导的Ce3+-Mn2+能量传递作用,改善了Mn2+在近紫外区的吸收,并显著提高了Mn2+的发光强度（约160倍）。在370 nm激发下,Ce3+和Mn2+的发光强度比在298 K至473 K的温度范围内,随温度升高呈线性变化趋势,在473 K时相对灵敏度可达3.16%K-1,表明NaBaSc（BO3）2:Ce3+,Mn2+还能作为优良的荧光温度传感器材料。结果表明,通过引入敏化剂可以有效提高过渡金属离子Mn2+的发光性能,对开发新的红色发光材料具有一定的参考意义。4.制备了一种单一基质白光发光材料(Ca0.33Sr0.67)7（SiO3）6Cl2:Ce3+,Eu2+。通过XRD测试和高斯拟合等手段表明Ce3+在晶格中只占据了六配位的Ca2+格位。根据Dexter的能量传递理论和Reisfeld近似,表明在(Ca0.33Sr0.67)7（SiO3）6Cl2:Ce3+,Eu2+中Ce3+对Eu2+的能量传递作用为电偶极-电偶极相互作用。通过调节Eu2+的浓度,在(Ca0.33Sr0.67)7（SiO3）6Cl2中得到了色坐标为（0.3773,0.396）,色温为4195 K的暖白光发射。结果表明,在同一基质中,通过调节Ce3+、Eu2+共掺比例可以产生较理想的白光。

论文目录

  • 中文摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  •   1.1 白光发光二极管（LED）概述
  •     1.1.1 LED的发光原理及优点
  •     1.1.2 实现白光的技术方案
  • 2+能级结构'>  1.2 稀土离子及Mn2+能级结构
  •     1.2.1 稀土元素简介
  •     1.2.2 稀土离子的f-f跃迁和f-d跃迁
  •   1.3 能量传递基本理论
  •     1.3.1 能量传递的方式
  •     1.3.2 无辐射能量传递理论
  •   1.4 白光LED用发光材料的研究现状
  •     1.4.1 蓝光转换型发光材料
  •     1.4.2 （近）紫外转换型发光材料
  •   1.5 本论文的选题意义和主要研究工作
  •   参考文献
  • 第二章 实验
  •   2.1 样品的制备
  •     2.1.1 原料及相关实验设备
  •     2.1.2 样品的制备方法
  •   2.2 样品的测试与表征
  •     2.2.1 XRD
  •     2.2.2 SEM
  •     2.2.3 TEM
  •     2.2.4 UV-VIS紫外可见漫反射光谱
  •     2.2.5 荧光光谱、衰减曲线、变温发射光谱及量子效率
  •     2.2.6 LED器件封装及测试
  •   2.3 第一性原理计算理论基础
  •     2.3.1 绝热近似
  •     2.3.2 Hartree-Fock方法
  •     2.3.3 密度泛函理论（DFT）
  •     2.3.4 赝势方法
  •     2.3.5 VASP软件包简介
  •   参考文献
  • 7Ca9[Si2O7]4F:Ce3+的制备及发光性能研究'>第三章 K7Ca9[Si2O7]4F:Ce3+的制备及发光性能研究
  •   3.1 引言
  •   3.2 制备方法
  •   3.3 结果与讨论
  •     3.3.1 物相与结构分析
  • 7Ca9[Si2O7]4F:Ce3+的发光性能研究'>    3.3.2 K7Ca9[Si2O7]4F:Ce3+的发光性能研究
  • 7Ca9[Si2O7]4F:Ce3+的热稳定性研究'>    3.3.3 K7Ca9[Si2O7]4F:Ce3+的热稳定性研究
  •   3.4 本章小结
  •   参考文献
  • 3）2:Ce3+/Ce3+-Tb3+的制备及发光性能研究'>第四章 NaBaY（BO3）2:Ce3+/Ce3+-Tb3+的制备及发光性能研究
  •   4.1 引言
  •   4.2 实验方法
  •   4.3 结果与讨论
  •     4.3.1 物相与结构分析
  • 3）2:Ce3+的发光性能研究'>    4.3.2 NaBaY（BO3）2:Ce3+的发光性能研究
  • 3）2:Tb3+/Ce3+,Tb3+的发光性能及能量传递现象研究'>    4.3.3 Na Ba Y（BO3）2:Tb3+/Ce3+,Tb3+的发光性能及能量传递现象研究
  • 3）2:Ce3+/Tb3+/Ce3+,Tb3+样品的热稳定性研究'>    4.3.4 NaBaY（BO3）2:Ce3+/Tb3+/Ce3+,Tb3+样品的热稳定性研究
  • 3）2:Ce3+,Tb3+的阴极射线发光性能研究'>    4.3.5 NaBaY（BO3）2:Ce3+,Tb3+的阴极射线发光性能研究
  •   4.4 本章小结
  •   参考文献
  • 3）2:Ce3+/Ce3+-Mn2+的制备及发光性能研究'>第五章 NaBaSc（BO3）2:Ce3+/Ce3+-Mn2+的制备及发光性能研究
  •   5.1 引言
  •   5.2 实验和计算方法
  •     5.2.1 实验方法
  •     5.2.2 计算方法
  •   5.3 结果与讨论
  •     5.3.1 晶体结构与缺陷形成能计算
  •     5.3.2 电子结构计算
  • 3）2:Ce3+的光致发光性能研究'>    5.3.3 NaBaSc（BO3）2:Ce3+的光致发光性能研究
  • 3）2:Ce3+, Mn2+的光致发光性能和能量传递过程研究'>    5.3.4 NaBaSc（BO3）2:Ce3+, Mn2+的光致发光性能和能量传递过程研究
  • 3）2:Ce3+/Ce3+,Mn2+的热稳定性及光学温度传感性能研究'>    5.3.5 NaBaSc（BO3）2:Ce3+/Ce3+,Mn2+的热稳定性及光学温度传感性能研究
  •   5.4 小结
  •   参考文献
  • 0.33Sr0.67)7（SiO3）6Cl2: Ce3+, Eu2+的制备及发光性能研究'>第六章 (Ca0.33Sr0.67)7（SiO3）6Cl2: Ce3+, Eu2+的制备及发光性能研究
  •   6.1 引言
  •   6.2 实验方法
  •   6.3 结果与讨论
  •     6.3.1 物相分析
  • 0.33Sr0.67)7（SiO3）6Cl2: Ce3+的发光性能研究'>    6.3.2 (Ca0.33Sr0.67)7（SiO3）6Cl2: Ce3+的发光性能研究
  • 0.33Sr0.67)7（SiO3）6Cl2: Eu2+/Ce3+, Eu2+的发光性能及能量传递现象研究'>    6.3.3 (Ca0.33Sr0.67)7（SiO3）6Cl2: Eu2+/Ce3+, Eu2+的发光性能及能量传递现象研究
  •   6.4 本章小结
  •   参考文献
  • 第七章 结论与展望
  •   7.1 主要结论
  •   7.2 不足及展望
  • 在学期间研究成果
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 耿婉莹

    导师: 王育华

    关键词: 白光,发光材料,能量传递,硼酸盐,氟硅酸盐

    来源: 兰州大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

    专业: 物理学,有机化工

    单位: 兰州大学

    基金: 国家自然科学基金(No.51372105)

    分类号: TQ422;O482.31

    总页数: 125

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