稀土掺杂M-Si-Al-O-N材料的合成及其发光特性研究

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自从以GaN蓝色发光二极管(Light Emitting Diode,简称LED)为基础开发出白光LED照明器件以来,白光LED逐渐发展成一种重要的固态照明光源。白光LED相对于传统白炽灯和荧光灯具有节能、环保、体积小、响应快、寿命长等突出优点。实现白光LED的一种主流方式是紫外或蓝光LED芯片与荧光材料组合,即称为“荧光转换”技术。荧光材料是白光LED必不可少的部分,它直接影响到白光LED的光效、色温、显色指数、光衰和寿命等。传统荧光材料主要是由硫化物、硅酸盐、铝酸盐等构成。近年来,稀土掺杂氮化物和氮氧化物作为一类新型荧光材料,受到人们的密切关注。相对于传统荧光材料来说,在氮化物和氮氧化物基质材料中,氮元素具有相对较小的电负性和较大的电子云膨胀效应,能有效促进稀土离子5d能级在晶体场中的霹裂,使5d-4f之间的能级差减小,导致激发和发射波长红移,能够更好的与紫外或蓝光LED芯片匹配。另外,还具有稳定的化学性质和优良的高温发光性能。但是,目前氮化物和氮氧化物荧光材料存在着制备难度大,以至于对其发光机理研究不够完善的问题。本文主要针对上述问题,在几种氮氧化物荧光材料的合成及其稀土掺杂发光机理研究方面做了一些工作,主要内容有:(1)结合高温固相和碳热还原法,用低成本的原料,常压下1600℃合成了Ca-a-SiAlON:Eu2+橙黄色荧光材料。最终获得的样品是结晶性很好的单相。由光谱分析可知,它在近紫外和蓝光区域有强吸收,发射谱是500~700nm的宽带,与蓝光LED芯片结合可实现暖白光发射(色温3270~2260K)(2)通过调整MxV+Si12-(m+n)Alm+nOnN16-n通式中O的含量,制备了Ca1.8Si8.2Al3.7N16:Eu2+荧光材料。单相样品的激发谱与近紫外或蓝光LED芯片相匹配,发射峰在580~601nm之间,对比发现Ca1.8Si8.2Al3.7N16:Eu2+的发光性能要优于Ca-a-SiAlON:Eu2+。(3)以纳米Si3N4和A1203为原料,常压下,1600℃制备得到了P-SiAlON,在此基础上分别考察Ce3+、Tb3+、Sm2+、Dy3+的发光特性。发现Ce3+和Tb3+共掺时,Ce3+对Tb3+有能量传递;Sm2+的发射谱由锐锋和宽带共同组成,前者属于Sm2+的5Dj→7Fj跃迁,后者是4f55d1→4f6跃迁;Dy3+在P-SiAlON中的发光颜色接近白光。另外,发现Yb/Ho和Yb/Er在P-SiAlON中有上转换现象。(4)通过高温固相法制备了Ce3+掺杂的Y4S12O7N2荧光材料。在合成单相样品的基础上,详细论述了Y4Si2O7N2的晶体结构。研究发现随着掺杂浓度的改变,样品的发射光可实现从蓝色(-450nm)到绿色(~515nm)的可调,发射光谱的红移主要可以从两方面理解,即晶体场劈裂和再吸收。
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