稀土掺杂硅酸盐荧光材料合成与性能探究

发布时间：2020-10-26 05:43

　　 随着世界范围内经济的发展,能源问题成为一项重要的议题。因此,发展节能环保器件,走可持续发展道路乃当务之急。在照明显示领域,白光LED因为其效率高,使用寿命长,耗能少等优势对节能环保做出了突出贡献,因此,发展新型的能应用于白光LED灯的荧光粉引起了科研工作者的探索兴趣。本论文主要以硅酸盐为基质,具体研究了 Ca2(Si1-xPx)O4:Eu2+橘红色荧光粉以及Ca2SiO4:Ce3+,Ga3+黄色荧光粉的发光性质以及发光原理,并探索了其在白光LED应用方面的意义。本篇论文一共分为四个章节:第一章节为绪论,概述了照明技术的发展过程,LED白光技术,荧光粉的发光机理,常见荧光粉的分类及合成方法,并且规划了本论文的研究内容及思路。第二章节详述了Ca2SiO4:Ce3+,Ga3+黄色荧光粉的合成制备,发光性质及发光原理。通过分别共掺GaN和Ga2O3作为Ga3+的来源,以稳定硅酸钙的γ相,实现Ca2SiO4的β→γ相的转变,XRD测试结果直观的证明了相转变的发生。烧结得到的荧光粉呈现粉末状,不需要额外研磨,主要得益于相变过程中晶胞体积及晶角的变化,SEM测试对比了 β和γ相荧光粉的形貌,两相的颗粒大小对比明显。由于离子半径大小的关系,Ce3+取代Ca2+的位置,而Ga3+占据Si4+的位置,我们建立了γ-Ca2SiO4的晶体结构,深入探讨了β→γ相转变的机理。制备的荧光粉能被蓝光450nm有效激发,呈现宽谱发射,相比于商业YAG黄粉,光谱范围更广且波峰出现一定的红移。我们还对样品的热稳定性做了系统性的探究,结果表明在最佳掺杂含量下,以 GaN 作为 Ga3+源的样品 γ-(Ca0.995Ce0.005)2Si0.9925Ga0.0075O4-δNδ在150℃时强度依然是常温时的76%,具有优异的热稳定性。第三章节介绍了Ca2(Si1-xPx)O4:Eu2+荧光粉的合成制备以及发光性质。在α'L-Ca2SiO4中,Ca2+由两个位置可供Eu2+占据,两个位置配位环境以及配位多面体体积大小不同。我们使用了液相溶胶凝胶法进行样品的制备,并且合成了一种水溶性的硅源(丙二醇改性正硅酸四乙酯),为了使Eu2+尽可能的进入比较小的Ca(2)位点,采用共掺P5+取代Si4+的策略,由于P5+的离子半径比Si4+的小,可以扩大Ca(2)位置配位多面体体积,增大Eu2+进入的概率。XRD测试表明离子的掺入并没有使得相发生转变,所合成的荧光粉能在近紫外有效激发,发射光谱呈现宽谱发射,发射谱涵盖500-750nm范围,并且在654nm和554nm处各出现一个发射峰,与商业YAG粉相比,能明显提高白光LED的显色指数。第四章节对论文做了总结,指出了研究工作中出现的一些问题和不足,并对可能进一步改善提高的部分做出了说明。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ422
【部分图文】：

＾上是电磁波，电磁学理论指出，空间中同相位的电场和磁场交场和磁场，并且以波动的方式向空间进行扩展，产生电磁波。分类，电磁波包括：Ｙ射线，Ｘ射线，紫外线，可见光，近红波等。［６１在我们生活的角落里，到处充斥着电磁波，但是人类知到整个电磁波段中属于可见光的那一部分，波长分布在４００－波长又被划分为紫，蓝，绿，黄，橙，红等颜色，肉眼可识别同波长的光对眼睛的感光神经刺激程度不一样。??８?８?§?Ｉ??

在晶体场使得禁阻的４ｆ－４ｆ跃迁部分解禁，可以实现能级的跃迁。４ｆ－４ｆ跃迁受到??外层电子屏蔽，因此受基质晶体场影响较小，其对应的发射谱一般为线状谱。如??Ｅｕ３＋和Ｍｎ４＋。［２５％如图１．２为ＹＶ０４：Ｄｙ３＋荧光粉的激发和发射光谱。最外层电子??构型为４１＾５（１的稀土离子可以发生ｆ－ｄ跃迁，电子在最外层５ｄ和内层４ｆ电子层??之间发生跃迁，由于５ｄ电子层裸露于外，因此容易受到基质晶体场强度的影响，??通过调控基质可以改变晶体场强大小，从而为荧光粉发光的调控提供了便利。例??如：Ｅｕ２＋和Ｃｅ３＋。［３７－４３］如图１．４为Ｃａ２Ｓｉ０４：Ｃｅ３＋的激发和发射光谱。［４４】??ＰＶ?ｅ?Ｅ，Ｉ、??ｉ?Ｗｈ?，，．??４００?４５０?５００?５５０?６００?６５０?７００?７５０??Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?（ｎｍ）??图１．２ＹＶ０４：Ｄｙ３＋荧光粉特征激发和发射光谱??（ａ）??Ｘｐｍ＝４３４ｎｍ?Ｘｅｘ＝３５４ｎｍ??■??ｉ?ｉ?＇?ｉ?＇?ｉ?１?ｉ?？?ｉ?ｊ?ｉ?■?ｌ??２００?２５０?３００?３５０?４００?４５０?５００?５５０??Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?（ｎｍ）??图１．３Ｃａ２Ｓｉ０４：Ｃｅ３＋的激发和发射光谱??荧光粉的发光一般经历三个阶段：（ｉ）稀土发光离子吸收能量，电子从基态??被激发到激发态；（２）能量弛豫过程，电子跃迁到最低激发态；（３）发光离子电??

在晶体场使得禁阻的４ｆ－４ｆ跃迁部分解禁，可以实现能级的跃迁。４ｆ－４ｆ跃迁受到??外层电子屏蔽，因此受基质晶体场影响较小，其对应的发射谱一般为线状谱。如??Ｅｕ３＋和Ｍｎ４＋。［２５％如图１．２为ＹＶ０４：Ｄｙ３＋荧光粉的激发和发射光谱。最外层电子??构型为４１＾５（１的稀土离子可以发生ｆ－ｄ跃迁，电子在最外层５ｄ和内层４ｆ电子层??之间发生跃迁，由于５ｄ电子层裸露于外，因此容易受到基质晶体场强度的影响，??通过调控基质可以改变晶体场强大小，从而为荧光粉发光的调控提供了便利。例??如：Ｅｕ２＋和Ｃｅ３＋。［３７－４３］如图１．４为Ｃａ２Ｓｉ０４：Ｃｅ３＋的激发和发射光谱。［４４】??ＰＶ?ｅ?Ｅ，Ｉ、??ｉ?Ｗｈ?，，．??４００?４５０?５００?５５０?６００?６５０?７００?７５０??Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?（ｎｍ）??图１．２ＹＶ０４：Ｄｙ３＋荧光粉特征激发和发射光谱??（ａ）??Ｘｐｍ＝４３４ｎｍ?Ｘｅｘ＝３５４ｎｍ??■??ｉ?ｉ?＇?ｉ?＇?ｉ?１?ｉ?？?ｉ?ｊ?ｉ?■?ｌ??２００?２５０?３００?３５０?４００?４５０?５００?５５０??Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?（ｎｍ）??图１．３Ｃａ２Ｓｉ０４：Ｃｅ３＋的激发和发射光谱??荧光粉的发光一般经历三个阶段：（ｉ）稀土发光离子吸收能量，电子从基态??被激发到激发态；（２）能量弛豫过程，电子跃迁到最低激发态；（３）发光离子电??
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本文编号：2856583