白光 LED 用硅酸盐荧光粉的合成与发光性能的研究

白光LED用硅酸盐荧光粉的合成与发光性能的研究白光LED用硅酸盐荧光粉的合成与发光性能的研究专业：应用化学报告人：刘伟汉指导老师：王静副教授

主要内容 一、背景 1、LED简介 2、选题意义 3、研究现状二、实验思路三、结果与讨论 1、烧结温度对荧光粉相纯度的影响 2、荧光粉中Eu2+的浓度猝灭特性 3、共掺杂离子对荧光粉发光性能的影响四、实验结论

背景 1、白光LED的简介 • 发光二极管LED，是一种半导体电致发光器件。 • 白光LED与传统的照明光源（如白炽灯、荧光灯）相比，具有光效高、能耗低、寿命长、污染小等特点。在当前全球能源短缺的背景下，节约能源是我们面临的重要问题。因此，白光LED必将成为21世纪照明市场的主流。 • 白光LED可以用以下三种方法得到：（1）通过红、绿、蓝三种LED得到白光；（2）通过蓝光LED和黄色荧光粉得到白光；（3）通过紫光LED和RGB荧光粉得到白光。

背景 2、选题意义目前着重在于荧光粉转换的LED研究，也就是研发可被460 nm蓝光二极管有效激发的红、黄、绿等发光材料和被400 nm近紫外光二极管有效激发的红、绿、蓝、橙黄等发光材料。我的研究课题就是找到能匹配这两种二极管的荧光粉，使其在蓝光(~460nm)或近紫外光(~400nm)区域可被有效激发，并且具有较高的发光效率和化学稳定性。

背景 3、研究现状最近几年，对白光LED用荧光粉的研究，主要是集中在硼酸盐体系、磷酸盐体系、硅酸盐体系、铝酸盐体系、氮氧化物体系等的稀土发光材料研究。以硅酸盐为基质的发光材料具有良好的化学稳定性和热稳定性，而且高纯二氧化硅原料价廉、易得 ,烧结温度比铝酸盐体系低等特点，使其越来越受重视。在国内外有许多报导硅酸盐体系的文章，而硅酸锶掺+2价铕离子的报导并不多，Park K.J.对Sr2SiO4:Eu2+进行了大量的工作，但对Sr3SiO5:Eu2+还没有做深入的研究。本人在他的研究基础上进行了一系列创新性的实验，对Sr3SiO5:Eu2+体系进行系统的研究，寻找了Eu2+的临界猝灭浓度，并且通过共掺其他的稀土离子，得到了发光性能更好，以及余辉时间较长的两类稀土发光材料。

实验内容 本实验采用传统的高温固相法合成白光LED用Sr3SiO5:Eu2+ 和Sr3SiO5:Eu2+ :M3+(M=Dy、Nb、Yb、Sm、Tm、Er等)黄色荧光粉，利用X-射线粉末衍射（XRD）和荧光光谱（FL）进行表征，优化荧光粉的合成条件。通过测定样品的激发光谱、发射光谱等，寻找Sr2+与Eu2+的最佳配比，使其在近紫外区（~400nm）到蓝光区（~460nm）有较高的吸收效率，同时能够达到较高的发光亮度。再选择其他的稀土离子进行共掺杂，找出发光性能更好，以及余辉时间更长的两类荧光粉。

实验思路 在发光性能较好的共掺杂体系中调节两种稀土离子的比例，找到最亮的产品。寻找最佳的烧结温度寻找的临界猝灭浓度共掺杂其他稀土离子 Eu2+ 在余辉时间较长的共掺杂体系中调节两种稀土离子的比例，找到余辉最长的产品。

结果与讨论 1、烧结温度对荧光粉相纯度的影响温度是高温固相合成法中的关键要素之一。它取决于组分的熔点，扩散速度和结晶能力等。因此，在实验中必须严格控制好烧结温度，通过多次实验比较确定最佳烧结温度。本实验分别在1400℃(TY01)、1450℃ (TY02) 、1550℃ (TY03)的温度下烧结化学式为Sr2.94Eu0.03Dy0.03SiO5的荧光粉，通过测试样品的XRD进行物相分析，从而确定最佳的烧结温度。

结果与讨论 图Ⅰ 三个温度下所烧结样品的XRD图

结果与讨论 2、荧光粉中Eu2+的浓度猝灭特性按照通式为Sr3-xSiO5:xEu2+配制Eu2+浓度梯度(x=0.005~0.3)系列样品，并在灼烧温度为1550℃的条件下合成以下产品：原料编号原料配比 TY04 Sr2.995Eu0.005SiO5 TY05 Sr2.985Eu0.015SiO5 TY06 Sr2.97Eu0.03SiO5 TY07 Sr2.95Eu0.05SiO5 TY08 Sr2.9Eu0.1SiO5 TY09 Sr2.7Eu0.3SiO5

结果与讨论 图Ⅱ Eu2+浓度梯度系列样品的XRD图

结果与讨论 • 特点： • x=0.005~0.03，光谱强度逐渐增大；x=0.03~0.3，光谱强度逐渐减弱 • 紫外（~400nm）到蓝光（~460nm）区域出现了肩峰，吸收效率高。图Ⅲ Eu2+浓度梯度系列样品在570nm光监测下的激发光谱

结果与讨论 • 特点： • x=0.005~0.03，光谱强度增大；x=0.03~0.3，光谱强度减弱。 • 发射光谱峰值先红移后蓝移。图Ⅳ Eu2+浓度梯度系列样品在370nm光激发的荧光发射光谱

结果与讨论 3、共掺杂稀土离子对荧光粉发光性能的影响特点： (1)形状相似 (2)峰值接近 (3)紫外（~400nm）到蓝光（~460nm）区域出现了肩峰。 (4)吸收效率高。图Ⅴ 共掺杂样品与商业粉LNO对比的激发光谱图

结果与讨论 特点： (1)形状相似 (2)峰强接近 (3)发光效率高。 (4)半峰宽略有差别。图Ⅵ 共掺杂样品与商业粉LNO对比的发射光谱图

结果与讨论 特点： (1)形状相似 (2)峰强稍有差距 (3) Sr2.91SiO5:0.03Eu2+: 0.03Yb3+与商业粉LNO发光强度很接近。图Ⅶ 共掺杂样品与商业粉LNO对比的发射光谱图

结果与讨论 特点： (1)峰形相异 (2)峰值位置不同，强度也不同 (3) Sr2.91SiO5:0.03Eu2+: 0.03Yb3+比商业粉YAG发光强度更高。图Ⅷ 共掺杂样品与商业粉YAG对比的发射光谱图

结果与讨论

结论 1、在较低温度灼烧得到的样品存在杂相，当烧结温度在1550℃附近时，所得样品为纯相，样品的发光性能较好。 2、在Sr3-xSiO5:xEu2+实验中，改变Eu2+的掺杂浓度x值，在1550℃下烧结后，通过XRD数据分析表明，所烧结样品均为Sr3SiO5纯相；通过荧光光谱数据分析表明，样品中Eu2+的临界猝灭浓度为0.03。 3、在Sr2.91SiO5:0.03Eu2+:0.03M3+(M=Dy、Nb、Yb、 Sm、Tm等)实验中，Sr2.91SiO5:0.03Eu2+:0.03Yb3+发光性能最好，已接近商业粉水平；Sr2.91SiO5:0.03Eu2+:0.03Dy3+余辉较长。 4、在Sr3-x-2ySiO5:xEu2+:yDy3+实验中，改变Eu2+与Dy3+的浓度比例，所得Sr2.93SiO5:0.01Eu2+:0.03Dy3+的余辉时间最长。 5、在1550℃下合成的所有样品发射光谱主峰位置在575nm左右，激发光谱峰位于275nm、370nm左右，并且在近紫外区（~400nm）到蓝光区（~460nm）吸收效率较高。

致谢 • 本论文在完成过程中，得到苏锵院士、王静副教授、张剑辉老师、梁宏斌老师、张梅师姐、张秋红师姐、袁海滨博后、余瑞金师兄等各位老师和师兄师姐的热心指导和帮助，对此表示由衷的感谢！ Thank you

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