白光发光二极管(WLED)用几种典型稀土硅酸盐荧光粉的制备及其NUV发光性质的研究

摘要

硅酸盐具有多种结构和稳定的物理、化学性能，很适合作为一类发光基质材料进行系统的研究。稀土掺杂的硅酸盐基质材料的发光性能，与近紫外区(NUV)的吸收带、电荷迁移带以及稀土元素的4f-5d跃迁和4f-4f跃迁密切相关。本论文以几种典型结构的硅酸盐作为基质材料并系统的考察稀土离子掺杂后其在NUV激发下的发光特性，特别是对荧光粉的晶体结构、掺杂、能量传递机制等理论研究，总结了稀土硅酸盐基荧光粉在NUV区域能被有效激发的关键条件和影响因素，对于NUV-LED用荧光粉的研究、推动LED荧光粉的商业化具有重要的理论意义及应用价值。
　　 本论文采用高温固相法合成了具有独特一维链状结构的Sr2CeO4∶RE(RE=Sm3+；Ti4+，Eu3+；Eu3+,Sm3+)以及Ca2Al2SiO7∶RE(RE=Ce3+，Tb3+；Dy；Eu3+；Eu2+)、Sr2Al2(Si，Mo)O7∶Eu3+、CaSrAl2SiO7∶Eu3+、CaAl2Si2O8∶RE(RE=Eu；Eu2+，Mn2+；Ce3+,Tb3+)、BaMg2Si2O7∶Eu2+，Mn2+、Mg2SiO4∶RE(RE=Eu3+，Eu2+)和SrZrSi2O7∶RE(RE=Ce3+，Tb3+，Eu3+，Dy3+)几类典型稀土硅酸盐荧光粉并考察了样品在NUV区域的发光特性。主要根据当前白光LED用荧光粉的发展需要，重点从新型高效红色荧光粉的开发和单一基质白光荧光粉的探索两个角度展开研究。结果表明：
　　 第一，对于稀土激活的一维链状结构的Sr2CeO4体系。
　　 1)合成了一种颜色可调谐的荧光粉Sr2CeO4∶Sm3+，通过调节稀土离子Sm3+的掺杂浓度，可以调谐发光体的发光颜色。当Sm3+离子浓度较小(＜3％)时，体系发出很强的白光；当Sm3+离子浓度较大(3％-15％)时，体系发出红光；其中，低浓度的荧光粉Sr2CeO4∶1％Sm3+不仅有很强的发光强度，而且有优良的色纯度，色坐标为(0.334,0.320)，与国际规定的标准白光值(0.33,0.33)很接近。
　　 2)Ti4+部分取代Ce4+后，荧光粉Sr2Ce1-xTixO4的激发光谱在300～380nm的吸收明显拓宽和增强，在334nm激发下，掺杂Ti4+的荧光粉Sr2Ce0.99Ti0.01O4的发光强度是未掺杂Ti4+的荧光粉Sr2CeC4的85％；随后掺入Eu3+，得到的最佳红色荧光粉Sr1.95Ce0.99Ti0.01O4∶0.05Eu3+的发光强度是未掺杂Ti4+的荧光粉Sr1.95CeO4∶0.05Eu3+的1.5倍，积分强度是商用红粉Y2O2S∶0.05Eu3+的3倍，其色纯度优良，色坐标为(0.665，0.33)。
　　 第二，单一基质白光荧光粉。本论文在BaMg2Si2O7∶Eu2+,Mn2+；CaAl2Si2O8∶Eu2+,Mn2+体系中，通过调节发光中心Eu2+，Mn2+的浓度并借助Eu2+→Mn2+能量传递，在这两类硅酸盐体系中得到了色度好，发光亮度高的单一基质白光荧光粉；并首次提出用除了Eu2+，Mn2+之外的双离子Ce3+,Tb3+掺杂来实现白光，证实在长波紫外光激发下Ca2Al2SiO7体系中存在Ce3+→Tb3+能量传递，通过Ce3+,Tb3+浓度的调节可以实现白光，是一种新型的双离子掺杂单一基质白光荧光粉；此外，在Ca2Al2SiO7基体中，通过掺杂单一离子Dy3+也实现了白光，在350nm激发下，发光强度最强的荧光粉是：Ca1.97Al2SiO7∶0.07Dy3+，而色纯度最好的荧光粉是：Cai.97Al2SiO7∶0.01Dy3+，其色坐标为(0.340，0.338)，相对色温为5164K，可以作为一种很好的暖白光LED。
　　 第三，新型高效的红色荧光粉。本论文系统研究了Ca2Al2SiO7∶Eu3+、Sr2Al2SiO7∶Eu3+、CaSrAl2SiO7∶Eu3+和Mg2SiO4∶Eu3+荧光粉在NUV区域的发光性能，发现这几类荧光粉在393nm都有一个吸收峰，归属为Eu3+的特征吸收；在Ca2Al2SiO7和Sr2Al2SiO7体系中，393nm处Eu3+的吸收峰相对于200～350nm的O2-→Eu3+电荷转移跃迁吸收带较弱，通过Mo离子掺杂和电荷补偿离子Na+的引入不仅增强了荧光粉在～400nm的吸收强度并提高了荧光粉的发光性能，最优的荧光粉Sr1.56Na0.22Eu0.22Al2Si0.98Mo0.02O7，其积分强度是商用红粉的1.5倍，色坐标为(0.659,0.331)，比商用红粉更接近于NTSC的标准红光值(0.67,0.33)，量子效率为50％，是一种很有潜力的NUV-LED用新型高效的红色荧光粉；在CaSrAl2SiO7体系中，Eu3+掺杂浓度x不同时，Eu3+占据的位置不同，当Eu3+的掺杂浓度x＞0.14时，荧光粉在393nm的吸收峰较强，适合作为NUV-LED用红色荧光粉，其中最佳配比的红色荧光粉是Ca0.78SrAl2SiO7∶0.22Eu3+，其色坐标为(0.650，0.350)；对于新型荧光粉Mg2SiO4∶Eu3+，当Eu3+的掺杂浓度为0.09mol时，其在393nm处的跃迁吸收最强，色纯度优良，而且量子效率也较高，约为38％。
　　 第四，其它硅酸盐荧光粉。对于Ca2Al2SiO7∶Eu2+体系的研究发现，随着Eu2+掺杂浓度的增加发射波长出现红移，并从晶体场角度解释了红移的原因；在空气气氛下用高温固相法合成的CaAl2Si2O8∶Eu体系中观察到了Eu3+→Eu2+的自动还原现象，并利用电荷补偿模型解释了这种自动还原现象；在CaAl2Si2O8体系中，通过Ce3+，Tb3+双掺得到了一种适合NUV-LED的绿色荧光粉，其发光强度是单掺杂Tb3+荧光粉的10倍；对于Mg2SiO4∶Eu2+和SrZrSi2O7∶RE(RE=Ce3+，Tb3+，Eu3+)荧光粉的研究表明：在NUV区的吸收均很弱，因此都不适合作为NUV-LED荧光粉。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

前言

1.1白光发光二极管(LED)概述

1.1.1发光二极管的发光原理及其发展简史

1.1.2白光LED的技术现状和可行的技术方案

1.2 LED用荧光粉的研究进展(主要针对稀土氧化物基荧光粉)

1.2.1蓝光LED芯片激发的荧光粉

1.2.2近紫外LED芯片激发的荧光粉

1.3硅酸盐基LED用荧光粉的开发与研究进展

1.3.1硅酸盐的结构特点

1.3.2 LED用硅酸盐基荧光粉的研究进展

1.4白光LED用稀土荧光粉的发光机理

1.5本论文的选题意义和论文结构

参考文献

第二章实验

2.1样品的制备

2.1.1主要试剂

2.1.2实验设备

2.1.3样品的制备方法

2.2样品的测试与表征

2.2.1 XRD

2.2.2 UV光谱

2.2.3 UV-VIS吸收-反射光谱

2.2.4量子效率

参考文献

第三章稀土激活的一维链状结构Sr2CeO4基荧光粉的合成及其在NUV激发下发光性质的研究

3.1引言

3.2颜色可调谐Sr2CeO4∶Sm3+的合成及其近紫外发光性质的研究

3.2.1引言

3.2.2实验部分

3.2.3结果与讨论

3.3 Sr2-yCe1-xTixO4∶yEu3+(0≤x≤0.03，0.005≤y≤0.10)的合成及其近紫外发光性质的研究

3.3.1引言

3.3.2实验部分

3.3.3结果与讨论

3.4 Sr2CeO4∶Eu3+,Sm3+红色荧光粉的合成及其发光特性的研究

3.4.1引言

3.4.2实验部分

3.4.3结果与讨论

3.5本章小结

参考文献

第四章Ca2Al2SiO7∶RE(RE=Ce3+,Tb3+；Dy3+；Eu3+；Eu2+)的合成及其在NUV激发下发光性质的研究

4.1引言

4.2单一基质白光荧光粉Ca2Al2SiO7∶Ce3+,Tb3+的合成及其近紫外发光性质的研究

4.2.1引言

4.2.2实验部分

4.2.3结果与讨论

4.3单一离子掺杂自光荧光粉Ca2Al2SiO7∶Dy3+的合成及其在NUV激发下发光性质的研究

4.3.1引言

4.3.2实验部分

4.3.3结果与讨论

4.4 Eu3+掺杂Ca2Al2(Si，Mo)O7和Ca2Al2Si1+xO7+2x(0.05≤x≤0.3)的合成及其在NUV激发下发光性质的研究

4.4.1引言

4.4.2实验部分

4.4.3结果与讨论

4.5 Ca2-xAl2SiO7∶xEu2+(0.005≤x≤0.05)的合成及其在NUV激发下发光性质的研究

4.5.1引言

4.5.2实验部分

4.5.3结果与讨论

4.6本章小结

参考文献

第五章NUV-LED用红色荧光粉Sr2Al2(Si，Mo)O7∶Eu3+和CaSrAl2SiO7∶Eu3+的合成及其发光性质研究

5.1引言

5.2 Sr2Al2(Si，Mo)O7∶Eu3+的合成及其NUV发光性质的研究

5.2.1引言

5.2.2实验部分

5.2.3结果与讨论

5.3 CaSrAl2SiO7∶Eu3+的合成及其NUV发光性质的研究

5.3.1引言

5.3.2实验部分

5.3.3结果与讨论

5.4本章小结

参考文献

第六章CaAl2Si2O8∶RE(RE=Eu；Eu2+,Mn2+,Ce3+，Tb3+)的合成及其在NUV激发下发光性质的研究

6.1引言

6.2 CaAl2Si2O8∶Eu的合成及其发光机理的研究

6.2.1引言

6.2.2实验部分

6.2.3结果与讨论

6.3 CaAl2Si2O8∶Eu2+,Mn2+的合成及其NUV激发下的发光性质

6.3.1引言

6.3.2实验部分

6.3.3结果与讨论

6.4 CaAl2Si2O8∶Ce3+，Tb3+的合成及其在NUV激发下的发光性质

6.4.1引言

6.4.2实验部分

6.4.3结果与讨论

6.5本章小结

参考文献

第七章新型荧光粉BaMg2Si2O7∶Eu2+,Mn2+、Mg2SiO4∶RE(RE=Eu3+，Eu2+和SrZrSi2O7∶RE(RE=Ce3+，Tb3+，Eu3+，Dy3+)的合成及其发光性质研究

7.1 BaMg2Si2O7∶Eu2+,Mn2+的合成及其NUV发光性质研究

7.1.1实验部分

7.1.2结果与讨论

7.1.3结论

7.2 Mg2SiO4∶RE(RE=Eu3+，Eu2+)的合成及其NUV发光性质研究

7.2.1实验部分

7.2.2结果与讨论

7.2.3结论

7.3 SrZrSi2O7∶RE(RE=Ce3+，Tb3+，Eu3+，Dy3+)的合成及其NUV发光性质研究

7.3.1实验部分

7.3.2结果与讨论

7.3.3结论

参考文献

第八章结论与展望

8.1结论

8.2展望

在学期间的研究成果

致谢