宽带近红外发光材料ScF3:Cr3+的可控制备及发光性能的研究

作     者：林秋明 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：牟中飞

授予年度：2022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：近红外(NIR) pc-LED Cr3+离子 荧光粉 

摘      要：近红外光谱检测技术具有简单、快捷、无创、分辨率高等优点,在解决食品安全问题、健康饮食问题,以及肿瘤的早期检测等方面都起到了重大意义。近年来,科学家们提倡将近红外光谱技术整合在手机、手环等个人便携装置中,随时监测食品营养与身体状态。但缺少高效率、小型化的宽带近红外光源,是目前完成这一技术的主要瓶颈所在。在众多的技术方案中,荧光粉转换的pc-LED光源(phosphor-converted light-emitting diode,pc-LED)具有良好的应用前景。该技术是使用可以被蓝光激发的宽带近红外荧光粉与目前效率最高的蓝光LED芯片相结合,获得高效率、小型化的宽带近红外光源。本文以氟化物ScF为基质材料,过渡金属离子Cr为激活离子,采用水热法制备了ScF:Cr、ScGaF:Cr(0?x?0.5)、ScFeF:Cr(0?y?0.5)一系列近红外荧光粉,对其晶体结构、可控制备、发光性能以及应用进行了研究与探索。通过改变合成时的pH和NHF/Sc对ScF:Cr的可控合成、共掺杂Ga和Fe对该材料体系进行调控,并研究其性能变化。(1)采用简单、绿色的水热法成功合成了ScF:Cr近红外荧光粉。通过控制pH和NHF/Sc前驱体的浓度,对ScF:Cr进行可控合成,确定了该材料的最佳合成条件。通过SEM表征了ScF:Cr荧光粉在不同pH和NHF/Sc前驱体浓度下合成的形貌演化。ScF:Cr荧光粉在700～1100 nm范围内呈现出宽带发射,半峰宽为140 nm,峰值为853 nm。与室温相比,ScF:Cr荧光粉在150°C下的发射强度可以保持85.5%,在460 nm蓝光LED芯片上制备了一种近红外pc-LED芯片。该pc-LED器件在40 m A下的近红外光电转换效率为3.19%,并采用近红外图像采集技术对水果进行夜视成像,证明了该材料的应用价值。(2)成功制备了ScGaF:Cr(0?x?0.5)和ScFeF:Cr(0?y?0.5)的一系列宽带近红外荧光粉。Ga和Fe离子具有相似的离子半径,通过加入对照组Ga作为空白对照,研究了Fe→Cr的能量传递在ScF这种负热膨胀材料体系中对ScF:Cr荧光粉发光性能的影响。实验结果表明,在ScF负热膨胀材料中,Fe→Cr的能量传递有助于提高发光热稳定性,并且随着Ga、Fe的引入,使材料晶格畸变,发光强度增强为原来的两倍,内量子效率最高可到达91%,半峰宽也由原来的140 nm提高到160 nm。最后封装成近红外pc-LED,该pc-LED器件在20 m A下的近红外光电转换效率为10.7%,相比于上一个工作具有很大的提高。