稀土掺杂的几种氮化物长波长发光材料的制备及发光性能的研究

发布时间：2020-11-03 00:37

　　 近几年来,白光LED由于其具有高亮度、长寿命、节能和环保等优点,已经逐渐取代传统照明工具,成为继白炽灯以及荧光灯之后新一代的照明光源。作为白光LED的重要组成部分,优质的荧光粉对于白光LED而言具有非常重要的意义,尤其是长波长荧光粉,它在降低白光LED的色温以及提高显色指数等方面起到了非常重要的作用。近期,氮化物发光材料由于其优异的稳定性和高的量子效率而成为目前主流的长波长发光材料,但是总体而言它们还不能完全满足人们的要求。针对目前长波长发光材料存在的主要问题,本论文以氮化物为研究对象,围绕其发射峰半高宽的调控,提高其热稳定性以及开发新型低温长波长发光材料等方面开展工作。具体实验结果如下:(1)通过气压烧结成功制备了低温锂氮化物Li_2SrSi_2N_4,并掺入Ce~(3+)作为发光中心。利用结构精修以及光谱表征等手段研究了Li_2SrSi_2N_4的晶体结构以及掺杂Ce~(3+)后的发光性能,发现Li_2SrSi_2N_4不仅具有SiN_4四面体形成的环状结构,而且存在两个Sr~(2+)格位供Ce~(3+)占据。通过测量样品的衰减曲线以及时间分辨,研究了两个Ce~(3+)发光中心之间的能量传递及其对于热稳定性的影响。实验结果表明Li_2SrSi_2N_4这种特殊的结构使得Ce~(3+)掺杂的样品相比于商用黄色荧光粉Y_3Al_5O_(12):Ce~(3+)(YAG:Ce~(3+)),不仅具有更加优异的热稳定性,而且能够发射宽带黄光,其可以弥补YAG:Ce~(3+)在红光区域的不足。(2)在M_3N_2-Si_3N_4-AlN(M=Ca,Sr和Ba)三元相图中,选取碱土金属含量较高的Ca_5Si_2Al_2N_8作为研究对象。由于减少了Si_3N_4和AlN原料的用量,Ca_5Si_2Al_2N_8相比于商用红色荧光粉CaAlSiN_3:Eu~(2+)可以在常压以及较低的温度下合成。通过结构精修等手段研究了Ca_5Si_2Al_2N_8的晶体结构以及电子结构,发现Ca_5Si_2Al_2N_8具有共边连接的SiN_4四面体和AlN_4四面体所形成的致密结构,这使得Ca_5Si_2Al_2N_8:Eu~(2+)不仅具有较宽的激发光谱并发射高亮的红光,而且具有非常优异的热稳定性。结果表明,在三元相图中,通过改变SiN_4和AlN_4四面体的连接方式并提高碱金属含量,可以获得致密的低温氮化物,这对于开发新型的低温长波长发光材料具有重要的意义。(3)通过压样烧结的方法成功制备了Eu~(3+)激活的低温氮化物Li_2SiN_2和ɑ-M_3B_2N_4(M=Ca,Sr)。通过研究Li_2SiN_2和ɑ-M_3B_2N_4(M=Ca,Sr)的晶体结构和电子结构,发现Eu~(3+)在基质中会形成Eu~(3+)-N~(3-)电荷迁移带,并产生宽带激发光谱,其峰位与配位阴离子的电负性有关。对样品进行光谱表征,结果表明ɑ-Sr_3B_2N_4:Eu~(3+)在370 nm处存在Eu~(3+)-N~(3-)电荷迁移带所形成的宽带激发光谱。同时由于Eu~(3+)在613 nm处存在~5D_0-~7F_2电子跃迁,因此在Eu~(3+)激活的ɑ-Sr_3B_2N_4体系中,我们实现了宽带激发和窄带发射的红光。通过进一步地研究,发现Eu~(3+)-N~(3-)电荷迁移带不仅与配位阴离子有关,而且受次近邻阳离子的影响。因此通过调控Eu~(3+)的配位环境,有望实现蓝光激发的窄带红光。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB34;O482.31
【文章目录】：
中文摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 白光LED的简介及原理
        1.1.1 LED的发光原理及结构
        1.1.2 白光LED的实现方法
    1.2 发光材料的发光机理及各类发光材料
        1.2.1 稀土离子的发光能级
        1.2.2 稀土掺杂发光材料的研究进展
            1.2.2.1 硅酸盐发光材料
            1.2.2.2 铝酸盐发光材料
            1.2.2.3 磷酸盐发光材料
            1.2.2.4 硅基氮（氧）化物和硅铝基氮（氧）化物
            1.2.2.5 锂氮化物
        1.2.3 长波长发光材料的研究进展
            1.2.3.1 黄色发光材料的研究进展
            1.2.3.2 红色发光材料的研究进展
    1.3 本论文的选题思路及内容
第二章 实验
    2.1 样品的制备
        2.1.1 实验原料
        2.1.2 实验设备
        2.1.3 样品制备过程
    2.2 样品的表征以及性能测试
        2.2.1 X射线粉末衍射
        2.2.2 扫描电镜和透射电镜
        2.2.3 紫外-可见荧光光谱、衰减、量子效率以及变温光谱
        2.2.4 紫外-可见吸收-漫反射光谱
        2.2.5 样品的晶体结构和电子结构分析
        2.2.6 CIE色坐标
2SrSi₂N₄:Ce₃₊的制备及发光性能的研究'>第三章 Li₂SrSi₂N₄:Ce₃₊的制备及发光性能的研究
    3.1 引言
    3.2 实验部分
    3.3 实验结果与讨论
        3.3.1 物相、形貌表征以及晶体结构分析
        3.3.2 能带结构分析
        3.3.3 发光性能的研究
    3.4 本章小结
5Si₂Al₂N₈:Eu²⁺的制备及发光性能的研究'>第四章 Ca₅Si₂Al₂N₈:Eu²⁺的制备及发光性能的研究
    4.1 引言
    4.2 实验部分
    4.3 结果和讨论
        4.3.1 物相、形貌表征以及晶体结构分析
        4.3.2 能带结构分析
        4.3.3 发光性能的研究
    4.4 本章小结
2SiN₂:Eu³⁺的制备及发光性能的研究'>第五章 Li₂SiN₂:Eu³⁺的制备及发光性能的研究
    5.1 引言
    5.2 实验部分
    5.3 结果和讨论
        5.3.1 物相,形貌表征以及晶体结构分析
        5.3.2 发光性能的研究
    5.4 本章小结
3B₂N₄（M=Sr,Ca）:Eu³⁺的制备及发光性能的研究'>第六章 α-M₃B₂N₄（M=Sr,Ca）:Eu³⁺的制备及发光性能的研究
    6.1 引言
    6.2 实验部分
    6.3 结果和讨论
        6.3.1 物相,形貌表征及晶体结构分析
        6.3.2 能带结构分析
        6.3.3 发光性能的研究
    6.4 本章小结
第七章 结论与展望
    7.1 结论
    7.2 不足和展望
参考文献
在学期间研究成果
致谢

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本文编号：2867818