新型照明显示器件用氧氮化物荧光粉的性能研究

论文摘要

随着人类社会的快速发展,作为人们生活基本需求之一的照明显示技术也表现出日新月异的变化。特别是在近些年,新一代的照明显示技术,如LED（发光二级管）和PDP（等离子平板显示技术）等,取得了突飞猛进的进展。相对于传统技术,LED和PDP技术有以下优点：能量转换效率高,对环境友好无（低）污染,图像质量高,性能稳定,可在全数字模式下工作等等,因此已经逐渐得到学界以及市场的广泛认可,是具有广阔发展前景的高新技术产业。在照明及显示器件中,荧光材料是非常重要的组成部分,因为它承担了将光源发出的光转化成所需要色彩的作用,因此,荧光材料的品质直接决定了观察者的最终感受。正因为荧光材料具有如此重要的地位,伴随近年来照明显示技术的快速发展,对于荧光材料的研究也越来越受到重视。传统的荧光材料主要是氧化物、硫化物、含氧酸盐等,这些材料合成方法较为简单,并且由于已经经过长期的研究,在技术方面已经较为成熟。但是由于新一代光源（LED,等离子体等）的普及,这些传统材料在性能上已经逐渐难以满足需要。作为一种优秀的荧光材料,它需要具有以下基本性质：光转化效率高、合适的激发和发射波长、化学及热稳定性好等,如果要应用于显示领域,荧光材料还需要具有快速的响应时间。正是由于在这些方面具有巨大的发展潜力,氧氮化物荧光材料在近些年逐渐兴起并取得了快速的发展。为了对氧氮化物荧光粉进行探索研究,本工作主要对硅基氧氮化物荧光材料——稀土离子激活的CaSi2O2N2的合成条件、发光性能、材料优化、能级分布等进行了研究和探讨,同时还研究了Si-N掺杂对于铝酸盐荧光粉荧光性能的影响。通过这些研究,希望能够在氧氮化物荧光粉性能的预估、优化以及Si-N键对荧光粉性能的作用机理上探索理论和实验依据,为今后荧光材料的研究开发提供一定的参考。论文的第一章简单阐述了照明及显示技术的发展历程,并且通过介绍相关文献和技术,对传统荧光粉材料的结构特点、发光原理和性能、优点以及不足进行了说明,然后介绍了新型照明及显示技术的现状和需求,并在此基础上提出了本文的工作思路。在第二章中,介绍了本工作的实验部分,主要包括：起始原料、材料合成设备、合成工艺流程、材料性能表征技术等。论文的第三章包括两个部分：第一,阐述了Eu2+掺杂的CaSi2O2N2荧光材料的合成条件、晶体结构、从真空紫外波段到可见光区域的荧光性能等。通过研究表明：在真空紫外光谱中,材料的激发对应于基质的晶格吸收,然后会发生从晶格到发光中心Eu2+的能量转移并最终发射出来；在紫外或蓝光激发下,则在Eu2+离子自身发生从4f能级到5d能级的电子跃迁。由于发光来源于Eu2+离子中电子从5d能级向4f能级的跃迁,因此在任何波段的光源激发下,材料的发射光谱都是区间在绿光-黄光波段的宽带谱。第二,探讨了离子共掺对于CaSi2O2N2:Eu2+发光性能的影响以及产生影响的机理,内容包括共掺杂的元素选择、掺杂离子的配比含量、基质材料的氧氮比例调整、不同发光中心之间的能量传递、掺杂前后离子的价态变化等等。研究结果表明：1.在荧光材料中,稳定Eu离子的价态对材料的荧光性能有明显优化作用。当加入适当的共掺离子时,共掺离子能够影响材料中缺陷的存在状态,并与Eu2+形成更加稳定的缺陷组合,有效地稳定材料中的Eu2+离子,从而提高有效的发光中心浓度,大幅减少Eu2+和Eu3+离子之间的非辐射能量传递,进而优化荧光粉的荧光性能。本工作不仅在实验上观察到了这种价态稳定现象,并且从理论计算的角度也证明了这种稳定机理的存在。2.通过改变基质材料氧氮比例的方法,能够影响材料的色坐标、发光强度等荧光性能。第四章对不同镧系离子在材料中的发光行为进行了表征和分析。对于在发光过程中镧系离子的电子跃迁方式进行了分析和归类,研究了不同镧系离子之间的能量传递现象。最终,根据对这些离子发光行为的系统分析,得到了镧系离子在CaSi2O2N2基质中的部分能级分布情况,并据此对材料中镧系离子的发光行为给出了一定程度的解释。在第五章中,通过在CaAl2O4基质中掺杂Si-N键来部分取代Al-O键的方法,提高了荧光粉的发光强度和余辉性能。通过电子顺磁共振（EPR）的方法,证明掺杂Si-N倾向于取代Eu2+附近的Al-O,并且由于Si-N键具有较短的键长,导致引入的Si-N能够提高发光中心周围晶体骨架的刚性,减少热震动导致的非辐射跃迁能量损失,从而提高荧光粉的发光性能。第六章中简单介绍了Tb3+和Ce3+离子激活的CaSiO3和Ca2SiO4基质荧光粉的荧光性能。第七章则对全文进行了总结并对今后的工作进行展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 LED和PDP技术介绍
• 1.2.1 LED固态光源
• 1.2.2 等离子平板显示技术
• 1.3 稀土离子激活的荧光材料
• 1.3.1 稀土元素的组成
• 1.3.2 二价和三价稀土离子的电子能级分布及跃迁
• 1.3.2.1 镧系元素的光谱项
• 1.3.2.2 三价镧系离子的能级分布规律和发光性质
• 1.3.2.3 二价镧系离子的能级分布规律和发光性质
• 1.3.3 传统荧光材料
• 1.3.3.1 用于传统光源的荧光材料
• 1.3.3.2 用于新型LED照明用的荧光材料
• 1.3.4 新一代荧光材料——氧氮化物
• 1.3.4.1 氧氮化物的背景
• 1.3.4.2 氧氮化物荧光材料介绍
• 1.3.4.3 氧氮化物荧光粉的合成方法
• 1.4 本论文的思路和主要内容
• 参考文献
• 第二章 实验方法
• 2.1 实验所用试剂
• 2.2 样品的合成方法
• 2.3 研究工作中涉及到的主要仪器设备
• 2.3.1 氧氮化物荧光粉的合成设备
• 2.3.2 样品的表征仪器
• 参考文献
• 2+激活的CaSi₂O₂N₂荧光粉的合成与荧光性能'>第三章 Eu²⁺激活的CaSi₂O₂N₂荧光粉的合成与荧光性能
• 2O₂N₂：Eu²⁺荧光粉的制备和性能研究'>3.1 CaSi₂O₂N₂：Eu²⁺荧光粉的制备和性能研究
• 2O₂N₂：Eu²⁺的制备'>3.1.1 CaSi₂O₂N₂：Eu²⁺的制备
• 3.1.2 反应温度对荧光材料成相及性能的影响
• 1-xEu_xSi₂O₂N₂的XRD图谱及物相分析'>3.1.3 产物Ca_1-xEu_xSi₂O₂N₂的XRD图谱及物相分析
• 1-xEu_xSi₂O₂N₂的荧光性能及分析'>3.1.4 Ca_1-xEu_xSi₂O₂N₂的荧光性能及分析
• 1-xEu_xSi₂O₂N₂在紫外-可见波段的激发和发射光谱及分析'>3.1.4.1 Ca_1-xEu_xSi₂O₂N₂在紫外-可见波段的激发和发射光谱及分析
• 2O₂N₂：Eu²⁺的发光行为及分析'>3.1.4.2 真空紫外（VUV）激发下CaSi₂O₂N₂：Eu²⁺的发光行为及分析
• 2O₂N₂：Eu²⁺荧光性能的影响及分析'>3.2 共掺镧系离子对CaSi₂O₂N₂：Eu²⁺荧光性能的影响及分析
• 3+对于CaSi₂O₂N₂：Eu²⁺的影响及研究'>3.2.1 共掺La³⁺对于CaSi₂O₂N₂：Eu²⁺的影响及研究
• 3+对于CaSi₂O₂N₂：Eu²⁺成相的影响'>3.2.1.1 共掺La³⁺对于CaSi₂O₂N₂：Eu²⁺成相的影响
• 3+对于紫外激发的CaSi₂O₂N₂：Eu²⁺荧光性能的影响'>3.2.1.2 共掺La³⁺对于紫外激发的CaSi₂O₂N₂：Eu²⁺荧光性能的影响
• 3+后荧光强度提高的原因'>3.2.1.3 共掺La³⁺后荧光强度提高的原因
• 2O₂N₂：Eu²⁺的影响及研究'>3.2.2 共掺其他镧系离子对CaSi₂O₂N₂：Eu²⁺的影响及研究
• 2O₂N₂：Eu²⁺荧光性能的影响及分析'>3.3 其他共掺对CaSi₂O₂N₂：Eu²⁺荧光性能的影响及分析
• 2O₂N₂：Eu²⁺荧光性能的影响'>3.3.1 共掺过渡金属离子对CaSi₂O₂N₂：Eu²⁺荧光性能的影响
• 2+对CaSi₂O₂N₂：Eu²⁺荧光性能的影响'>3.3.2 共掺Mg²⁺对CaSi₂O₂N₂：Eu²⁺荧光性能的影响
• 2O₂N₂：Eu²⁺荧光性能的影响'>3.3.3 改变基质氧氮比例对CaSi₂O₂N₂：Eu²⁺荧光性能的影响
• 0.94-xK_xEu_0.06Si₂O_2-0.5xN₂的荧光性能'>3.3.3.1 Ca_0.94-xK_xEu_0.06Si₂O_2-0.5xN₂的荧光性能
• 2O₂N₂：Eu²⁺荧光性能的影响'>3.3.3.2 共掺Al-O取代Si-N对CaSi₂O₂N₂：Eu²⁺荧光性能的影响
• 0.94-xLa_xEu_0.06Si₂N_2+xO_2-x的荧光性能'>3.3.3.3 Ca_0.94-xLa_xEu_0.06Si₂N_2+xO_2-x的荧光性能
• 3.4 小结
• 参考文献
• 2O₂N₂荧光材料的荧光性能'>第四章 镧系离子激活的CaSi₂O₂N₂荧光材料的荧光性能
• 2O₂N₂：Ce³⁺的合成及荧光性能'>4.1 CaSi₂O₂N₂：Ce³⁺的合成及荧光性能
• 2O₂N₂：Tb³⁺的合成及荧光性能'>4.2 CaSi₂O₂N₂：Tb³⁺的合成及荧光性能
• 2O₂N₂：Tb³⁺的成相'>4.2.1 CaSi₂O₂N₂：Tb³⁺的成相
• 2O₂N₂：Tb³⁺在真空紫外-可见波段的荧光性能及分析'>4.2.2 CaSi₂O₂N₂：Tb³⁺在真空紫外-可见波段的荧光性能及分析
• 2O₂N₂：Tb³⁺在真空紫外-可见波段的荧光性能'>4.2.2.1 CaSi₂O₂N₂：Tb³⁺在真空紫外-可见波段的荧光性能
• 2O₂N₂：Tb³⁺发光行为的分析'>4.2.2.2 CaSi₂O₂N₂：Tb³⁺发光行为的分析
• 3+敏化后CaSi₂O₂N₂：Tb³⁺的发光'>4.2.2.3 Bi³⁺敏化后CaSi₂O₂N₂：Tb³⁺的发光
• 2O₂N₂中的发光行为'>4.3 其他三价镧系离子在CaSi₂O₂N₂中的发光行为
• 2O₂N₂：Pr³⁺的荧光性能'>4.3.1 CaSi₂O₂N₂：Pr³⁺的荧光性能
• 2O₂N₂：Er³⁺的荧光性能'>4.3.2 CaSi₂O₂N₂：Er³⁺的荧光性能
• 2O₂N₂：Dy³⁺的荧光性能'>4.3.3 CaSi₂O₂N₂：Dy³⁺的荧光性能
• 2O₂N₂：Sm³⁺的荧光性能'>4.3.4 CaSi₂O₂N₂：Sm³⁺的荧光性能
• 2O₂N₂基质中,镧系离子的4f基态以及最低5d激发态的能级位置'>4.4 在CaSi₂O₂N₂基质中,镧系离子的4f基态以及最低5d激发态的能级位置
• 4.4.1 镧系离子能级分布的推导方法简介
• 2O₂N₂中镧系离子能级分布'>4.4.2 CaSi₂O₂N₂中镧系离子能级分布
• 2O₂N₂：Yb²⁺的合成及荧光性能'>4.5 CaSi₂O₂N₂：Yb²⁺的合成及荧光性能
• 2O₂N₂：Tb³⁺,Ce³⁺的荧光性能'>4.6 CaSi₂O₂N₂：Tb³⁺,Ce³⁺的荧光性能
• 4.7 小结
• 参考文献
• 2O₄：Eu²⁺荧光粉的研究'>第五章 Si-N的CaAl₂O₄：Eu²⁺荧光粉的研究
• 5.1 荧光粉的制备
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 产物的成相分析
• 2O₄：Eu²⁺荧光粉的室温发光特性'>5.2.2 SiN-CaAl₂O₄：Eu²⁺荧光粉的室温发光特性
• 2O₄：Eu²⁺荧光性能提高的原因'>5.2.3 共掺Si-N后CaAl₂O₄：Eu²⁺荧光性能提高的原因
• 0.99Eu_0.01Al_2-xSi_xO_4-xN_x性能的影响'>5.2.4 采用NH3作为反应气氛对Ca_0.99Eu_0.01Al_2-xSi_xO_4-xN_x性能的影响
• 2O₄：Eu²⁺,Ln³⁺荧光粉荧光强度和余辉性能的影响'>5.3 共掺Si-N对CaAl₂O₄：Eu²⁺,Ln³⁺荧光粉荧光强度和余辉性能的影响
• 2O₄：Eu²⁺,Sm³⁺性能的影响'>5.3.1 共掺Si-N对于CaAl₂O₄：Eu²⁺,Sm³⁺性能的影响
• 2O₄：Eu²⁺,Ln³⁺性能的影响'>5.3.2 共掺Si-N对于CaAl₂O₄：Eu²⁺,Ln³⁺性能的影响
• 5.4 小结
• 参考文献
• 3和Ca₂SiO₄基质荧光粉荧光性能的初步研究'>第六章 硅酸盐CaSiO₃和Ca₂SiO₄基质荧光粉荧光性能的初步研究
• 3基质荧光材料的制备及性能研究'>6.1 CaSiO₃基质荧光材料的制备及性能研究
• 3+及Tb³⁺激活的CaSiO₃荧光材料的成相'>6.1.1 Ce³⁺及Tb³⁺激活的CaSiO₃荧光材料的成相
• 3+或者Tb³⁺激活的CaSiO₃的荧光性能'>6.1.2 Ce³⁺或者Tb³⁺激活的CaSiO₃的荧光性能
• 3+和Tb³⁺共激活的CaSiO₃的荧光性能'>6.1.3 Ce³⁺和Tb³⁺共激活的CaSiO₃的荧光性能
• 2+在CaSiO₃中的发光行为'>6.1.4 Mn²⁺在CaSiO₃中的发光行为
• 2SiO₄基质荧光材料的荧光性能'>6.2 Ca₂SiO₄基质荧光材料的荧光性能
• 2SiO₄基质荧光材料的合成与成相分析'>6.2.1 Ca₂SiO₄基质荧光材料的合成与成相分析
• 2SiO₄：Ce³⁺,Tb³⁺的荧光性能'>6.2.2 Ca₂SiO₄：Ce³⁺,Tb³⁺的荧光性能
• 6.3 小结
• 参考文献
• 第七章 全文总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 不足和展望
• 学习期间取得的主要研究成果
• 致谢