白光LED用单基质荧光体的研制及发光机理研究

论文摘要

半导体白色发光二极管（light-emitting diodes,简称LED）是近十多年来发展起来的一种新型固态照明器件。与传统的白炽灯、荧光灯相比,白光LED具有节能、效率高、寿命长、体积小、颜色可调等优点,被称为“第四代照明光源”。目前获得白光LED的途径主要有两种:一种是荧光转换型,即用单个LED芯片和荧光粉组合发光;另一种方法是采用红、绿、蓝三色LED芯片组合发光,即多芯片白光LED。现在世界各国商业化、大规模生产的主要是荧光转换型WLED。因此,研制新型的InGaN-LED用荧光粉具有重要的学术意义和实际应用前景。本学位论文工作的主要目标是研制适合于近紫外InGaN基荧光转换型LED用的新型、高效、稳定的的荧光粉。采用高温固相反应法合成了一系列适用于近紫外InGaN基荧光转换型LED用的Eu2+和Mn2+激活的发射白光的单一基质荧光粉。利用荧光光谱和X-射线衍射（XRD）等现代分析仪器测试技术对样品的光致发光性能和物相结构进行分析,通过对样品的激发光谱、发射光谱和量子效率等进行详细研究,筛选出适用于近紫外InGaN芯片的发光性能优良的荧光粉。本学位论文分4章撰写。第一章首先介绍了白光二极管的发光原理、优势和获得途径,然后介绍了白光二极管用荧光粉的性能要求和制备方法,综述了当前白光LED用荧光粉的发展现状和趋势。针对当前“UV-LED+三基色荧光粉”存在的问题,提出了本文的研究目的,即研制适合于～400 nm近紫外光LED芯片激发的新型、高效、稳定的光转换型荧光粉。在第二章中我们采用高温固相法在1200℃下制备了 Eu2+激活的BaSrMg（PO4）2高亮度白光发光材料,并对其晶体结构和发光性能进行了研究。荧光光谱研究表明:该荧光粉的发射光谱由两个谱带组成,其中心分别位于424 nm,585 nm处,归结为Eu2+分别占据了基质中Sr2+,Ba2+格位而导致的4f6 5d1 →4f7跃迁。两个发射峰的激发光谱均分布在250～440 nm的波长范围内,峰值均位于360 nm左右。表明该荧光粉可被InGaN管芯产生的近紫外辐射有效激发,是一种性能良好的白光LED用单一基质白光荧光粉。论文深入考察了基质中不同Ba和Sr的比例、Eu2+掺杂浓度对荧光粉发光强度和色坐标的影响,并可通过改变上述参数实现该荧光粉的色坐标可调性,在最优条件下该荧光粉发光已在白光区域。论文还考察了 Eu2+掺杂浓度对荧光粉量子效率的影响,为荧光粉的最佳掺杂浓度提供了理论依据。第三章针对第二章中所制备的BaSrMg（PO4）2:Eu2+荧光粉存在的红光发射仍然较弱的缺点,采用高温固相法通过Eu2+、Mn2+的共掺制备了一系列BaSrMg（PO4）2:Eu2+,Mn2+荧光粉,以此来提高荧光粉红光部分的发射。荧光光谱研究表明:该荧光粉的发射光谱由三个谱带组成,比Ba0.98Sr0.98Mg（PO4）2:0.O4Eu2+的发射光谱多了一个红光发射带,其发光中心分别位于425 nm、585 nm和645nm。其中425 nm处的蓝光发射和585 nm处的黄光发射可以归纳为Eu2+分别占据了基质中的Sr2+和Ba2+的晶格位置产生的。而645nm左右的红光发射可以归属为Mn2+中3d5电子构型的4T→6A能级间的跃迁,三个发射峰的激发光谱均分布在250～410 nm的波长范围内,峰值均位于360 nm左右。表明该荧光粉可被InGaN管芯产生的近紫外辐射有效激发,是一种性能良好的白光LED用单一基质白光荧光粉。论文深入考察了基质中不同PO4和BO3的比例、Mn2+掺杂浓度对荧光粉发光强度、色坐标和量子效率的影响。色坐标x值遵循先增大后减小的顺序,而y值基本遵循逐渐减小的顺序,可能是由于随着Mn2+浓度的增大,红光成分逐渐增加,而同时由于Eu2+→Mn2+的能量传递,使得荧光粉蓝光成分减小。在最优条件下该荧光粉发光已在白光区域。第四章总结了本论文的主要工作,并根据工作的进展和存在的不足,对本课题所涉及的荧光粉的进一步研究做了简要的展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 白光LED简介
• 1.2.1 LED的发光原理
• 1.2.2 实现白光LED的途径
• 1.2.2.1 荧光转换型白光LED（phosphor-converted white LED,pc-WLED）
• 1.2.2.2 多芯片组合型白光LED
• 1.2.2.3 单芯片多量子阱型白光LED
• 1.2.3 白光LED的优势
• 1.2.4 白光LED的性能表征
• 1.2.5 白光LED用荧光粉的条件
• 1.3 白光LED用荧光粉发展现状
• 1.3.1 蓝光激发型荧光粉
• 1.3.2 近紫外光激发型荧光粉
• 1.3.3 单一基质荧光粉
• 1.4 白光LED用荧光粉的制备方法
• 1.4.1 高温固相反应法
• 1.4.2 溶胶-凝胶法
• 1.4.3 燃烧合成法
• 1.4.4 沉淀法
• 1.4.5 水热合成法
• 1.4.6 气相法
• 1.5 白光LED研究技术的发展现状及趋势
• 1.6 本论文的选题背景及意义、研究目的和内容
• 1.6.1 选题背景及意义
• 1.6.2 研究内容
• 参考文献
• 4）₂:Eu²⁺荧光粉的制备及发光性能研究'>第二章 BaSrMg（PO₄）₂:Eu²⁺荧光粉的制备及发光性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验试剂、仪器与测试
• 2.2.1.1 实验试剂
• 2.2.1.2 实验仪器与测试
• 2.2.2 荧光粉的制备
• 1.96-xSr_xMg（PO₄）₂:0.04Eu²⁺（x=0, 0.8,0.9,1.0,1.1,1.2,1.96）系列荧光粉的制备'>2.2.2.1 Ba_1.96-xSr_xMg（PO₄）₂:0.04Eu²⁺（x=0, 0.8,0.9,1.0,1.1,1.2,1.96）系列荧光粉的制备
• 1-x2Sr_1-x/2Mg（PO₄）₂:x Eu²⁺（x=0.01,0.02,0.04,0.06,0.08,0.12,0.16 ）系列荧光粉的制备'>2.2.2.2 Ba_1-x2Sr_1-x/2Mg（PO₄）₂:x Eu²⁺（x=0.01,0.02,0.04,0.06,0.08,0.12,0.16 ）系列荧光粉的制备
• 2.3 结果与讨论
• 4）₂:Eu²⁺物相的形成'>2.3.1 BaSrMg（PO₄）₂:Eu²⁺物相的形成
• 0.98Sr_0.98Mg（PO₄）₂:0.04 Eu²⁺ 样品的荧光光谱'>2.3.2 Ba_0.98Sr_0.98Mg（PO₄）₂:0.04 Eu²⁺样品的荧光光谱
• 1.96-xSr_xMg（PO₄）₂:0.04Eu²⁺样品的发光特性'>2.3.3 不同Ba和Sr比例下Ba_1.96-xSr_xMg（PO₄）₂:0.04Eu²⁺样品的发光特性
• 2+掺杂浓度对Ba_1-x/2Sr_1-x/2Mg（PO₄）₂:x Eu²⁺发光性能的影响'>2.3.4 Eu²⁺掺杂浓度对Ba_1-x/2Sr_1-x/2Mg（PO₄）₂:x Eu²⁺发光性能的影响
• 2+掺杂浓度对Ba_1-x/2Sr_1-x/2Mg（PO₄）₂:xEu²⁺量子效率的影响'>2.3.5 Eu²⁺掺杂浓度对Ba_1-x/2Sr_1-x/2Mg（PO₄）₂:xEu²⁺量子效率的影响
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 1-x（PO₄）_2-y-（BO₃）_y:0.04Eu²⁺,xMn²⁺系列荧光粉的制备及发光性能研究'>第三章 BaSrMg_1-x（PO₄）_2-y-（BO₃）_y:0.04Eu²⁺,xMn²⁺系列荧光粉的制备及发光性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验试剂、仪器与测试
• 3.2.1.1 实验试剂
• 3.2.1.2 实验仪器与测试
• 3.2.2 荧光粉的制备
• 0.98Sr_0.98Mg_1-x（PO₄）₂:0.04Eu²⁺,xMn²⁺（x=0.02,0.04,0.08,0.12,0.16,0.20,0.30）系列荧光粉的制备'>3.2.2.1 Ba_0.98Sr_0.98Mg_1-x（PO₄）₂:0.04Eu²⁺,xMn²⁺（x=0.02,0.04,0.08,0.12,0.16,0.20,0.30）系列荧光粉的制备
• 0.98Sr_0.98Mg（PO₄）_2-z-（BO₃）_z:0.04Eu²⁺（z=0,0.03,0.05,0.07,0.10,0.15 ,0.20）系列荧光粉的制备'>3.2.2.2 Ba_0.98Sr_0.98Mg（PO₄）_2-z-（BO₃）_z:0.04Eu²⁺（z=0,0.03,0.05,0.07,0.10,0.15 ,0.20）系列荧光粉的制备
• 0.98Sr_0.98Mg_0.92（PO₄）_2-y-（BO₃）_y:0.04Eu²⁺,0.08Mn²⁺（y=0,0.02,0.06,0.10,0.2,0.4,2.0）系列荧光粉的制备'>3.2.2.3 Ba_0.98Sr_0.98Mg_0.92（PO₄）_2-y-（BO₃）_y:0.04Eu²⁺,0.08Mn²⁺（y=0,0.02,0.06,0.10,0.2,0.4,2.0）系列荧光粉的制备
• 3.3 结果与讨论
• 4）₂:Eu²⁺,Mn²⁺样品的物相分析'>3.3.1 BaSrMg（PO₄）₂:Eu²⁺,Mn²⁺样品的物相分析
• 0.98Sr_0.98Mg_0.92（PO₄）₂:0.04Eu²⁺,0.04Mn²⁺样品的荧光光谱'>3.3.2 Ba_0.98Sr_0.98Mg_0.92（PO₄）₂:0.04Eu²⁺,0.04Mn²⁺样品的荧光光谱
• 0.98Sr_0.98Mg_1-x（PO₄）₂:0.04Eu²⁺,xMn²⁺（x=0.02～0.30）样品的发光性能'>3.3.3 Ba_0.98Sr_0.98Mg_1-x（PO₄）₂:0.04Eu²⁺,xMn²⁺（x=0.02～0.30）样品的发光性能
• 2+掺杂浓度对Ba_0.98Sr_0.98Mg_1-x（PO₄）₂:0.04Eu²⁺,xMn²⁺量子效率的影响'>3.3.4 Mn²⁺掺杂浓度对Ba_0.98Sr_0.98Mg_1-x（PO₄）₂:0.04Eu²⁺,xMn²⁺量子效率的影响
• 0.98Sr_0.98Mg（PO₄）_2-y-（BO₃）_y:0.04Eu²⁺的样品的荧光光谱'>3.4 Ba_0.98Sr_0.98Mg（PO₄）_2-y-（BO₃）_y:0.04Eu²⁺的样品的荧光光谱
• 4）-（BO₃）: Eu²⁺样品的物相分析'>3.4.1 BaSrMg（PO₄）-（BO₃）: Eu²⁺样品的物相分析
• 4和BO₃比例下Ba_0.98Sr_0.98Mg（PO₄）_2-z-（BO₃）_z:0.04Eu²⁺荧光粉的发光性能'>3.4.2 不同PO₄和BO₃比例下Ba_0.98Sr_0.98Mg（PO₄）_2-z-（BO₃）_z:0.04Eu²⁺荧光粉的发光性能
• 0.98Sr_0.98Mg_0.92（PO₄）_1.8-（BO₃）_0.2:0.04Eu²⁺,0.08Mn²⁺样品的荧光光谱'>3.4.3 Ba_0.98Sr_0.98Mg_0.92（PO₄）_1.8-（BO₃）_0.2:0.04Eu²⁺,0.08Mn²⁺样品的荧光光谱
• 0.98Sr_0.98Mg_0.92（PO₄）_2-y-（BO₃）_y:0.04Eu²⁺,0.08Mn²⁺（y=0,0.02,0.06,0.10,0.2,0.4,2.0）样品的发光性能'>3.4.4 Ba_0.98Sr_0.98Mg_0.92（PO₄）_2-y-（BO₃）_y:0.04Eu²⁺,0.08Mn²⁺（y=0,0.02,0.06,0.10,0.2,0.4,2.0）样品的发光性能
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 论文总结
• 4.1 论文主要研究成果
• 4.2 论文的不足与值得再深入研究的问题
• 硕士期间发表及待发表的论文
• 致谢