单一基质光色可调白光荧光粉的合成及其光学性质研究

作     者：关安翔 

作者单位：广西大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周立亚

授予年度：2017年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：白光发射 荧光粉 单一基质 光色可调 能量传递 

摘      要：本课题旨在研究出一种单一基质白光发射的荧光粉,以解决由InGaN基和YAG:Ce黄色荧光粉组装而成的白光LED由于缺少红光组分而导致色温偏高、显色指数差等缺点。实验通过采用传统的高温固相法合成了SrGdNa(P0)F:Eu,Mn、CaNaSi0F:Ce,Mn、CaYNa(P0)F:Ce,Mn以及SrZnY(P0):Ce,Mn,Tb四个体系的单相白光荧光粉,并利用X-射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、荧光分光光度计以及荧光寿命测试系统等手段对合成样品进行了表征。在表征的基础上,深入探讨了样品形貌特征和基质组成,激活剂/敏化剂对物质相纯度、荧光强度的影响以及它们两者之间的能量传递机理,实验所得结论如下:(1)采用高温固相法,在还原气氛的条件下合成了 Eu、Mn单掺和共掺的SrGdNa(P0)F荧光粉。研究结果表明,合成的样品为纯相,并未观察到杂相的存在。样品呈无规则颗粒状,表面光滑,颗粒尺寸分布在5μm左右。共掺Eu和Mn的荧光粉样品在300 nm的激发下能够同时发射出Eu位于460 nm和Mn位于560 nm处的特征峰,且560 nm处的发射峰比单掺Mn样品的发射峰强2.02倍。荧光寿命曲线及相关的机理研究证明了 Eu和Mn之间的能量传递关系,且能量传递机理以偶极-偶极相互作用为主,两种离子之间的临界距离为17.52 A。CIE色坐标分析表明所合成的SrGdNa(P0)F:Eu,Mn系列荧光粉兼具颜色可调及白光发射的特性,可作为白光LED用白光荧光粉的潜在材料使用。(2)采用高温固相还原的方法制备了Ce、Mn共掺的CaNaSiOF光色可调的荧光粉。在552 nnm监测下,Ce、Mn共掺荧光粉样品的激发光谱从250 nm延伸至450 nm,能够很好地与近紫外芯片相匹配。在338 nm的激发下,CaNaSi0F:Ce,Mn荧光粉的发射光谱包含了Ce和Mn分别位于453 nm和552 nm处的特征发射峰。随着Mn掺杂浓度的增加,Ce的发射峰强度逐渐减弱,其荧光寿命也不断减小,证明Ce-Mn间存在能量传递,且能量传递方向是从Ce到Mn。基于两者之间的能量传递,通过调控Mn的掺杂量,得到了发光颜色由蓝色逐渐变至蓝白色的荧光粉。(3)高温固相法合成的CaYNa(P0)F:Ce,Mn纯相荧光粉在300nm的激发下具有两条宽且强的发射带。位于405 nm处的蓝光发射带归属于Ce的5d→4f跃迁,而位于560 nm处的黄光发射带对应于Mn的T(G)→A(S)跃迁。实验证明,Ce到Mn之间存在能量传递作用,可使Mn的荧光发射强度大大增强,且能量传递效率和能量传递速率最大值可达89.35%和314.62×10s,说明Ce到Mn的能量传递是十分有效的。通过能量传递作用,在适当调节Ce和Mn之间相对掺杂比例的基础上,可以使目标荧光粉的发光颜色由蓝色逐步向白色和黄色转变。实验结果表明,CaYNa(P0)F:Ce,Mn荧光粉可用作紫外基白光LED上白光发射荧光材料。(4)通过高温固相合成反应,制备了一系列以SrZnY(P0)为基质,Ce/Mn/Tb为掺杂离子的荧光粉。在双掺样品中,Ce的共掺杂使Mn和Tb的发射光强度得到大幅度增强,说明分别存在Ce→Mn和Ce→Tb两种类型的能量传递;其中,Ce→Mn能量传递机理为偶极-偶极相互作用,而Ce→Tb能量传递为四极-四极相互作用。对于Ce、Mn和Tb三掺的体系,其发射光谱同时包含了三种离子的特征发射峰:Ce离子410 nm的蓝光发射,Mn离子600 nm的红光发射以及Tb离子490 nm和545 nm 的绿光发射。实验所得 SrZnY(P0):0.05Ce,0.11Mn,0.11Tb荧光粉的相关色温为5144.83 K,CIE值(0.33,0.34)与标准白光色坐标(0.33,0.33)非常接近,说明SrZnY(P0):Ce,Mn,Tb荧光粉在白光LED用单一基质白光荧光材料领域具有潜在的应用价值。