蓝光LED用硅(铝)酸盐基荧光粉的合成与改性

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硅酸盐、铝酸盐体系因普遍具有原料来源广泛、良好的物理化学稳定性、易形成多样化的晶体场环境等特点,通常被用于透明闪烁陶瓷、白光LED荧光粉的基质材料。在这两大基质材料体系中,掺杂稀土或其它激发离子后制成的荧光粉在紫外和可见光蓝区均有良好的吸收,能完美地与当前主流的LED芯片复合实现白光照明。然而,无论是铝酸盐基还是硅酸盐基氧化物荧光粉,普遍存在发射光谱中缺乏红光成分,形成的白光色温较高,色品指数低等不足。基于此,采用离子掺杂的方式可以制备性能优良、色品指数较高的全光谱色荧光粉,可以极大地丰富LED实现白光照明的选择范畴。该体系荧光粉的制备方法大多是采用传统的高温固相反应法,粉体的制备与性能受选用的起始原料、合成气氛、助熔剂和烧成制度(如温度、烧结时间)等因素有密切关系,一直以来都是照明领域中的研究热点,深受科研人员的关注。本文通过优选反应初始原料和助熔剂,采用高温固相反应详尽地探索了硅、铝酸盐基荧光粉的合成工艺和掺杂改性后粉体的发光性能,并借助于X-射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、荧光光谱(PL)和色品坐标(CIE)模拟对样品的物相、形貌、发光性能和色品参数进行了表征。实验结果表明,AlF3·3H2O可以作为这类荧光材料高温合成时助熔剂的又一备选方案;离子掺杂可以提升粉体的发光性能,提高色品。具体表现在:(1)铝酸盐基荧光粉,本文通过优选三氟化铈作为起始原料,分别在氮气、活性炭气氛下合成了过渡金属离子掺杂的新型白光LED荧光粉Y3-x(Al1-yCry)5O12-3x/2F3x:xCe3+(简称YACG:Ce3+)和Lu3-x(Al1-2yMnyRy)5O12-3x/2F3x:xCe3+(简称LuAMG:Ce3+)。其中,YACG:Ce3+的最优合成工艺是氮气气氛下,以AlF3·3H2O为助熔剂,于1560℃烧结4-6 h即可制得物相较纯的粉体;少量Cr3+掺入后不会样品的物相组成产生影响,却能实现Ce3+-Cr3+间的能量传递,使发射光谱中呈现708nm附近的深红色成分,提升了粉体的显色指数;然而,LuAMG:Ce3+的合成条件与YACG:Ce3+不同,其合成条件是以活性炭为保护气氛,无需添加助熔剂于1540℃,烧结4-5h即可制得,Mn4+掺杂后不会引起样品物相组成的改变,但可以使样品。(2)硅酸盐基荧光粉:本文以二价铕激发的黄色荧光粉为基础,对该粉体的合成工艺及发光性能进行了优化。结果表明,最优后的合成工艺为以AlF3·3H2O为助熔剂,适当降低原料SiO2的用量,于还原气氛下1350℃保温4h即可得到物相纯净且性能优良的黄色荧光粉Sr3-xSi1-mO5-2m:xEu2+,其中,AlF3·3H2O的用量为2wt.%,m=0.04mol;样品在λ=460nm蓝光激发下,呈单峰发射,主峰位于λ=584nm的黄色区域;当Ba2+掺杂时,由于Ba2+半径略大于Sr2+并发生类质等价取代,晶胞体积扩大,受激发射时,发射主峰出现明红移至橙红区,当Ba2+=0.2655mol时,λ=598nm,此时红移量最大为15nm。
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