几种典型氧化物基宽带发光材料的制备及性能调控

发布时间：2020-11-12 02:31

　　 随着高亮度蓝光InGaN LEDs的出现,白光LEDs由于节能、环保、轻便等众多优点得到了迅速发展,并作为一种新型固态照明光源融入了人们的日常生活。于是,各种性能优异的荧光粉随LED芯片技术的成熟被不断地研究开发利用。本论文针对多数三价稀土离子激活的发光材料因f-f跃迁所产生的特征尖峰线状发射、发光效率不高和光谱吸收范围窄等关键问题,选择了基于d-f跃迁的Eu~(2+)和s-p跃迁的Bi~(3+)作为激活离子,探索了几种使人眼舒适的具有宽带发射特性的氧化物发光材料,研究了基质结构与发光性能之间的联系。主要研究内容如下:1.采用固相反应法制备了一种新型的含锆硅酸盐发光材料K_2ZrSi_2O_7:Eu~(2+)。通过XRD Rietveld结构精修和高分辨率透射电镜数据确定了K_2ZrSi_2O_7:Eu~(2+)的晶体结构。在(近)紫外光的激发下,K_2ZrSi_2O_7:Eu~(2+)发射出明亮的蓝光,其光谱主峰为462 nm,半高宽为70 nm。该发光材料在低压电子束的持续轰击下具有出色的抗老化性和良好的色彩稳定性。用Hf~(4+)逐渐取代体系中的Zr~(4+)可形成固溶体发光材料K_2Zr/HfSi_2O_7:Eu~(2+)。结果表明,发光材料K_2Zr/HfSi_2O_7:Eu~(2+)的热稳定性能随Hf~(4+)取代量的增加会明显改善。2.受上述固溶体发光材料的启发,合成了一种钾钙板锆石结构的双钾铪三硅酸盐发光材料K_2HfSi_3O_9:Eu~(2+)。通过XRD数据和密度泛函理论(DFT)计算分别确定了该体系的晶体结构和电子结构。稳态光致发光光谱和时间分辨光谱可说明K_2HfSi_3O_9:Eu~(2+)中存在两种Eu~(2+)发光中心。基于晶体格位工程法,将基质中的Hf~(4+)用Sc~(3+)替换可有效改善Eu~(2+)在蓝光光谱区域的吸收,同时还可调控发射光谱的位置与形态,并极大地改善样品发光热猝灭性能。随着Sc~(3+)离子取代量的增加,该体系发射光谱可从462 nm移动到507 nm。在环境温度高达200 ℃时,样品的发射损耗几乎为零,优于BAM:Eu~(2+)和Sr_3SiO_5:Eu~(2+)等商用荧光粉。热释光光谱和变温衰减曲线说明体系中的缺陷能级对优秀的发光热猝灭性能有贡献。3.选取Bi~(3+)作为激活剂,在高温箱式炉中制备了一种黄光发光材料BaZrSi_3O_9:Bi~(3+),并详细研究了其物相、发光及衰减特性。在(近)紫外激发下,BaZrSi_3O_9:Bi~(3+)发射出光谱半高宽为125 nm,主峰位于560 nm的黄光,其衰减时间约0.9微妙。BaZrSi_3O_9:Bi~(3+)在150℃下的发射强度是室温下的76%。该体系发光光谱的宽度和热猝灭性能均与商用YAG:Ce~(3+)相当,由于主峰波长更长,其发射光谱中红色组分较多。随温度的升高,BaZrSi_3O_9:Bi~(3+)发射光谱蓝移涉及到热激活声子辅助隧穿。4.选取硼酸盐材料Ba_3ScB_3O_9为基质,以Eu~(2+)为激活离子,在一定压力的高纯度氮气气氛下,采用固相反应法制备了一种超宽带近红外发光材料并研究了其发光特性。通过晶体结构分析和光谱表征等手段,探讨了Eu~(2+)在晶格中的占位情况。Ba_3ScB_3O_9:Eu~(2+)可高效响应紫外-蓝光激发而产生可见-近红外光,光谱覆盖510-1100 nm范围,主峰是735 nm,半峰宽为205 nm。通过结合电子云效应和晶体场理论解释了光谱的位置,带宽和斯托克斯位移。用Sr~(2+)部分取代体系中Ba~(2+)可实现发射光谱蓝移。通过在450 nm蓝光LED芯片上涂覆该发光材料,可获得VIS-NIR pc-LED器件。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：O482.31;TN312.8
【部分图文】：

兰州大学博士学位论文几种典型氧化物基宽带发光材料的制备及性能调控21.1.1LED的发光原理图1-1LED器件的结构示意图[5]LED(英文Light-EmittingDiodes的缩写)是发光二极管的简称，它是一种能将电能转换成光的电子器件。图1-1为LED的基本结构分布示意图，总体主要由正负电极接线柱、环氧树脂封装外壳、反射杯、接引电线和半导体芯片组成。正负电极接线柱连接外电路，可使整个LED通电；环氧树脂封装外壳用来保护LED内部结构；反射杯用来减少LED的光散射，增强LED的发光；接引电线主要用于连接半导体芯片和正负极接线柱；半导体芯片是LED的核心部件，它主要由以空穴载流子（可视为带正电的粒子）主导的p型半导体和以电子载流子（带负电）主导的n型半导体两部分组成，即PN结[8]。PN结主要由P区、N区和两区之间的空间电荷区（也叫耗尽层）组成，而空间电荷区存在一定的内电场使P区的空穴和N区的电子无法进一步扩散。图1-2给出了LED的发光工作原理图。向LED施加正向偏压时，处于P区的空穴载流子会在电压的驱动下向N区移动，而处于N区的电子载流子会向P区移动。此时，带正电的空穴和带负电的电子在PN结附近相遇，两者重组复合时会以光子和热的形式释放出能量。当光子的能量处于可见光范围内时，就会被人眼感知从而分辨发光颜色。光子的能量高低却决于制备芯片时所用到的化合物半导体材料的禁带宽度。禁带越宽说明能量越大，发出的光波长越短，禁带越窄说明能量越小，发出的光波长越长[9,10]。不同的化合物半导体材料对应不同的发光波长，同一种半导体材料掺杂不同种类或浓度的杂质时也可以发出不同颜色的光。目前，市面上用到的LED芯片主要由含镓（Ga）、氮（N）、砷（As）、铟（In）、磷（p）等的化合物制成。LED具有与普通二极管相似的伏安

兰州大学博士学位论文几种典型氧化物基宽带发光材料的制备及性能调控3外电场不足以克服PN结空间电荷区的内电场，此时LED不导通不发光；当施加的正向偏压超过某一阈值时，内电场被显著削弱，LED导通。向LED施加反向偏压时，LED处于截止状态；当反向偏压超过某一阈值时，LED被击穿会烧毁[11]。图1-2LED发光的工作原理图[12]图1-3LED的产生与发展概况[13]1906年英国电气工程师亨利·约瑟夫·朗德（HenryJosephRound）在用一块不纯的多晶碳化硅制作“猫须整流器”时观察到了微弱的光，这是从半导体中观察到电致发光现象的最早记录[14]。随后人们就逐渐开始研究SiC和II-IV族化合物

兰州大学博士学位论文几种典型氧化物基宽带发光材料的制备及性能调控3外电场不足以克服PN结空间电荷区的内电场，此时LED不导通不发光；当施加的正向偏压超过某一阈值时，内电场被显著削弱，LED导通。向LED施加反向偏压时，LED处于截止状态；当反向偏压超过某一阈值时，LED被击穿会烧毁[11]。图1-2LED发光的工作原理图[12]图1-3LED的产生与发展概况[13]1906年英国电气工程师亨利·约瑟夫·朗德（HenryJosephRound）在用一块不纯的多晶碳化硅制作“猫须整流器”时观察到了微弱的光，这是从半导体中观察到电致发光现象的最早记录[14]。随后人们就逐渐开始研究SiC和II-IV族化合物
【参考文献】

相关期刊论文 前5条

1 李梅芳;;发光二极管简介[J];企业技术开发;2015年15期

2 张万奎;张振;;照明发展进程——古代照明[J];灯与照明;2013年01期

3 江源;;光源发展史(二)[J];灯与照明;2010年02期

4 魏国昭;关于照明的发展历史[J];物理教学探讨;2005年14期

5 许碧琼，吴玉通;新型发光材料[J];华侨大学学报(自然科学版);1995年03期

相关博士学位论文 前2条

1 丁建炎;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[D];兰州大学;2019年

2 王希成;Eu~(2+)/Ce~(3+)掺杂的几种典型近紫外白光LED用发光材料的制备及性能调控[D];兰州大学;2017年

本文编号：2880114