具有高荧光热稳定性β-NaYF4基稀土掺杂红光荧光材料性能及零热猝灭机制研究

作     者：凌绍堃 

作者单位：广西大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄映恒

授予年度：2023年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 07[理学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：红光荧光材料 稀土离子 零热猝灭 晶体缺陷 密度泛函理论 

摘      要：白色发光二级管(WLEDs)具有能耗低、封装方式简单、体积小等特点,已在不同领域得到广泛应用。目前商用WLEDs的实现方式为将YAG:Ce黄色光荧光材料涂敷在蓝光芯片上,通过蓝光和黄光的混合获得白光。以这种方式获得的白光仍存在色温高、显色指数低等缺点。通过在荧光材料中添加红光成分,可以解决显色指数低和色温高的问题。Eu离子的发射峰窄,具有很高的红光色纯度,因此被认为是理想的红光光源。目前已经成功得到商业化应用的红光荧光材料,YO:Eu仍存在高温工况下发光强度下降的问题,这一缺陷将导致LED器件的发光性能下降。因此,制备具有高荧光热稳定性的Eu掺杂红光荧光材料是提升WLEDs性能的关键所在。本文以β-NaYF为基质,通过Eu离子与敏化剂离子掺杂,同时利用基质本身的晶体缺陷,制备具有高荧光热稳定性的红光荧光材料。本文的研究成果和创新点如下:1.通过水热合成法,制备了一系列β-NaYF:x Eu(x=0.01,0.03,0.05,0.07,0.09)红光荧光材料。最佳样品是β-NaYF:0.07Eu。这一材料具有优异的零热猝灭性能,其主要表现是523 K(250℃)和543 K(270℃)温度下Eu的发光强度分别为303 K(30℃)下的302.74%和278.86%。2.通过水热合成法,制备了一系列发光强度及具有优异的发光热稳定性的β-NaYF:0.065Eu,y Ln(Ln=Sm,Dy,Tb,y=0-0.005)双掺杂红光荧光材料。最佳样品分别是β-NaYF:0.065Eu,0.002Sm,β-NaYF:0.065Eu,0.003Dy和β-NaYF:0.065Eu,0.002Tb。实验结果表明同,三种样品都存在着Ln→Eu间的能量转移,在该能量转移的促进下:(a)最佳双掺样品的发光强度得到大幅度的提高。与单掺杂对照样相比,Eu-Sm,Eu-Dy,Eu-Tb最佳共掺样品中Eu离子的发光强度分别提到了197.19%,561.67%和397.36%,三种共掺最佳样品发光强度增强能力的顺序是:Eu-DyEu-TbEu-Sm;(b)在零热猝灭效应的支撑下最佳双掺样品仍具有优异的发光热稳定性。与室温下初始发光强度相比,Eu-Sm,Eu-Dy,Eu-Tb最佳共掺样品变温荧光最大强度及其所对应的温度分别是228.82%/483 K(210℃),121.07%/363 K(90℃),130.45%/323 K(50℃),三种共掺最佳样品发光热稳定性大小的顺序是:Eu-SmEu-TbEu-Dy。所以三种最佳共掺样品中综合性能最好的是β-NaYF:0.065Eu,0.002Sm。3.结合热释光谱仪(TLS)的测试结果和密度泛函理论(DFT)的计算结果,本文认为,基质中的晶体缺陷引起的缺陷电子补偿效应是该材料获得零热猝灭性能的主要原因,这一工作也是本文的亮点和创新点。β-NaYF基质中,Na和Y离子的不等价替换产生点缺陷,而能够稳定存在的缺陷为V空位组态,其缺陷形成能为-183.713 e V。这些点缺陷可以捕获并储存电子,缺陷中的电子受到热激活能的激发,跃迁至Eu离子的激发态,补偿因热猝灭导致的Eu离子发光强度的下降。