近紫外和蓝光激发的镥基氧化物发光材料的制备与发光特性研究

发布时间：2020-03-26 11:49

【摘要】：高效蓝光芯片(LED)的问世,使得白光LED成为获得白光的重要方式,并发展为第四代照明光源。稀土荧光粉作为白光LED的中重要的光转换材料,成为研究领域的热点。随着蓝光LED的发射波段进一步向近紫外区域拓展,相匹配的荧光粉也要不断进行研发。大部分的三价稀土离子(Re~(3+))的发光源自4f-4f的组内跃迁,由于4f外层电子的屏蔽作用,其激发和发射峰位受基质影响相对较小,光谱特性相对固定。所以,本论文定位于f-d组间跃迁的过渡金属离子Cr~(3+)和稀土离子Ce~(3+),研究其所处晶体场影响而体现出的光学特性的变化,也通过对其晶体场环境的强弱判断来推断其所处的具体格位。相互印证,不仅能完善理论对实践的指导,还能更好地探索新的基质材料来拓展荧光粉的类型。另外,也对目前高功率白光LED照明领域所缺失的绿光荧光陶瓷,进行了制备工艺的探索。本论文主要从以下四个方面进行展开:(1)在过去的近几年里,近紫外激发的三基色荧光粉成为获得白光LED的研究热点。发射位于400nm附近的芯片,是目前已有的效率最高的近紫外芯片(near-UV LED)。但是,目前大部分的蓝光荧光粉在400nm的激发并不十分有效。我们开发了新型蓝色荧光粉SrLu_2O_4:Ce~(3+),能够很好地与400nm近紫外LED匹配,且热稳定性优秀。在405nm激发下,发射出峰值为于460nm的,半高宽为90nm的宽带蓝光发射。优化得到的最佳离子掺杂浓度的样品,其内量子效率为76%。在150℃工作温度下,其发射强度仍然能保持室温下发射强度的86%。通过与商业黄光荧光粉和红光荧光粉混合,涂覆在405nm近紫外芯片上获得白光LED器件。通过调节组分的比重,能够在保持高显色指数(Ra≥90)的情况下,色温控制在3094-8990K范围内可调。以上这些特性都表明,SrLu_2O_4:Ce~(3+)是有前景的近紫外激发的白光LED光转换用发光材料。(2)先前关于在Ce~(3+)掺杂的SrLn_2O_4类型荧光粉(Ln=Y,Lu,Sc等)中,只表现出一个发光中心,且为蓝光发射。在本章中,我们观察到了在SrLu_2O_4:Ce~(3+)中的Ce~(3+)的第二个发光中心。该发光中心可以在485nm激发下,发射出峰值位于600nm的宽带红光发射。我们认为,这个新的发光中心(Ce(II))是占据了Lu~(3+)格位,而蓝光发光中心(Ce(I))是源自Sr~(2+)格位的占据。光谱学分析表明,在低掺杂浓度下,优先形成Ce(I)发光中心,且发光中心的数量比Ce(I)/Ce(II)随着Ce~(3+)掺杂浓度增加而明显减小,直到x达到0.004。两个发光中心的荧光寿命随着掺杂浓度的变化也进行了测量,可以观察到Ce(I)向Ce(II)的能量传递。当温度升高从83K到350K时,Ce(II)的发光强度的减弱的速度要明显快于Ce(I)中心,说明可以利用其相对发光强度比率来反映温度的变化,且在283K时,计算得相对敏感度高达2.28%K~(-1)。(3)Cr~(3+)掺杂的石榴石结构的Ca_2LuZr_2Al_3O_(12)(CLZA)荧光粉,是有前景的宽带近红外荧光粉,其激发峰能够与460nm蓝光芯片完美匹配。使用该荧光粉同460nm蓝光LED封装,获得750-850nm范围的近红外光的输出。而且,其电光效率为4.1%,要优于目前常规的钨灯的效率(2.9%)。在CLZA基质结构中,Cr~(3+)占据Ca~(2+)/Lu~(3+)和Zr~(4+)格位,分别形成两个发光中心Cr1、Cr2。对于CLZA:xCe~(3+),yCr~(3+)系列样品,Ce~(3+)和Cr~(3+)分别占据正十二面体格位和正八面体格位,并对两种激活离子所处格位的晶体场强进行计算。由于Cr~(3+)的吸收能力较弱这一固有属性,通过引入Ce~(3+)作为敏化剂来提高荧光粉对近紫外光的吸收,并计算出Ce~(3+)向Cr~(3+)的高效的能量传递速率。在对CLZA:Cr~(3+)样品的温度依赖性关系进行分析时,发现其升温过程有两个热过程,为低温热猝灭和高温热离化过程,并对两个过程的具体激活能进行了计算与分析。(4)高功率白光LED/激光照明是照明领域的发展趋势,而荧光透明陶瓷又是高功率照明领域的重要光转换材料。针对目前荧光透明陶瓷的研究还是以黄光透明陶瓷为主,部分为红光氮化物陶瓷,而绿光透明陶瓷一直是研究的短板。所以,在前期关于黄光透明陶瓷(YAG:Ce~(3+))制备工艺的基础上,我们对Ca_3Sc_2Si_3O_(12):Ce~(3+)基绿光透明陶瓷的制备工艺进行了研究。首先对于结构更为复杂的Ca_3Sc_2Si_3O_(12)样品,采用先合成粉体再高温生长晶体的路径。先后从球磨介质、球磨时间和球磨转速等方面对粉体粒径分布的影响进行展开。得到了目前烧结条件下的“最优粒径分布”,以及直线透过率14%的绿光陶瓷样品。
【图文】：

三基色,白光,蓝光,多色光

近紫外和蓝光激发的镥基氧化物发光材料的制备与发光特性研究1 白光的实现方式如图 1.1 所示，当牛顿拿出三棱镜对着太阳光，让人们第一次认识到白光橙黄绿蓝靛紫等多色光混合而成。随着后来研究深入，，大家也明白了光的：红，绿，蓝。黄光作为红光和绿光的混合结果，可以直接与蓝光混合得。

白光LED,发光二极管,三色光,白光光源

蓝。黄光作为红光和绿光的混合结果，可以直接与蓝光图 1.1 (a) 光的色散实验 (b) 光的三基色：红，绿，蓝gure 1.1 (a) Dispersion of sunlight (b) Three primary colors of light想要获得白光光源，就是要获得基本的红，绿，蓝的三色光光二极管的白光 LED 的实现方案如图 1.2 所示，有以下三种
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ422;O482.31

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