锡氟磷酸盐玻璃荧光粉复合体的制备及发光性能研究

摘要

近年来,白光LED因其节能、高效、环保等优点,在指示灯、显示器背光、一般照明等领域具有较好的应用前景,引起了人们广泛关注。市面上最常见的白光LED使用环氧树脂或硅树脂将YAG黄色荧光粉封装在蓝光芯片表面组成。然而,传统的嵌入有机树脂的荧光粉转换器由于其耐热性差、导热系数低(0.1-0.2W/mK),不可避免地存在严重的老化和泛黄问题,限制了其大功率应用。因此,迫切需要一种具有热稳定性良好的封装材料来提升白光LED性能。低熔点玻璃因其透过性好、导热系数高、易成形等优点被视为一种可替代的封装材料,荧光粉与低熔点玻璃结合制备而成的荧光粉玻璃复合材料(PiG)可以避免环氧或硅胶的问题并应用于超高功率照明。此外,蓝光芯片与黄色荧光粉结合会导致显色指数较差(一般来说,Ra<80),相关色温高。红光组分是实现高品质白光的关键,具有优良的显色性和色彩均匀性。本课题分别在常压条件和8个大气压条件下制备了CaAlSiN3:Eu2+荧光粉(记为CASN-AP和CASN-HP),并采用一步共烧法将其引入到锡氟磷酸盐玻璃基质中,制备了CASN-AP-PiG、CASN-HP-PiG。与此同时,绿色荧光粉SrSi2O2N2:Eu2+(SSON:Eu2+)和红色荧光粉CaAlSiN3:Eu2+(CASN:Eu2+)的掺杂浓度会影响PiG复合材料中来自于锡氟磷酸盐玻璃基质中的Sn2+离子发光,在精心地设计荧光粉的掺杂比例后制备了两种荧光粉掺杂的CASN-SSON-PiG。通过X射线衍射仪(XRD),场发射电子显微镜(FESEM),荧光分光光度计,差热分析仪,紫外-可见分光光度计等表征手段,测试并分析了复合材料的晶体构造,光学性能以及热稳定性等性质,并对最终合成的CASN-SSON-PiG进行了白光质量评估。研究表明:1.即使在常压条件下制备的CaAlSiN3荧光粉也具有较高的结晶度。与CASN-HP荧光粉相比,CASN-AP荧光粉的发光强度提高了23%,红移为9 nm,发光寿命缩短。CASN-AP晶粒生长不完全,表面缺陷增加,导致了荧光粉的发光寿命变短。与CASN-HP荧光粉相比,其光致发光强度增强和发射峰红移可能是由于晶体中Si-N键的数量较大,表面Si/N含量比较高。根据测试结果可知,CASN-AP的量子产率(71.1%)低于CASN-HP荧光粉(79.9%)而发射强度强于CASN-HP是由于其发射光子多的同时吸收的光子更多。采用一步共烧法制备的CASN-AP复合材料具有良好的热稳定性,PiG-CASN-AP的红色发射强度比PiG-CASN-HP高35%。此外,PiG-CASN-AP和PiG-CASN-HP样品在水中浸泡30h后的光致发光光谱与浸泡前相比只有11.2%和4.7%的光损伤,证明其有望成为高质量白光LED红色组分的候选材料。2.合成了不同荧光粉掺杂浓度的SSON-PiG和CASN-PiG复合材料,其发射光谱证明复合材料中的Sn2+离子的蓝光发射与纯锡氟磷酸盐玻璃相比有所增强,这是由于来自Sn-F-P-O玻璃基质中的氟信号迁移并聚集在嵌入的荧光粉周围,从而改变了锡离子局部的配位环境,在此基础上提出了嵌入荧光粉增强Sn2+离子光致发光强度的机理。此外,CASN:Eu-PiG复合材料中Sn2+离子的发光强度与纯玻璃相比增加了2.5倍,而SSON:Eu-PiG则增加1.1倍。3.在NUV芯片的激发下,通过协调红/绿荧光粉与Sn-F-P-O玻璃基体的比例,实现了由430nm、520nm和644nm三个主峰组成的全可见光发射光谱复合材料。当CASN:Eu和SSON:Eu的掺杂质量比分别为0.3wt%和0.7wt%时,可以得到高的显色指数(Ra=91)和低的相关色温(CCT=4993 K)的玻璃荧光粉复合材料,实现了性能优异的白色发射。为基于近紫外芯片(NUV)的高品质固态白光照明的高效彩色转换器提出了新思路。

目录

摘要

abstract

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 稀土发光材料简介

1.2.1 稀土发光材料的定义及分类

1.2.2 稀土光致发光机理

1.2.3 稀土发光材料的性能表征

1.3 白光LED评价指标

1.3.1 CIE1931标准色度学系统

1.3.2 显色指数

1.3.3 色温及相关色温

1.4 荧光粉玻璃复合材料

1.5 本文研究目的和主要研究内容

第二章 样品制备与测试方法

2.1 实验流程

2.2 实验试剂与仪器

2.2.1 实验试剂

2.2.2 实验仪器

2.3 样品制备

2.3.1 低熔点玻璃组成设计

2.3.2 荧光粉的选择与制备

2.3.3 荧光粉玻璃复合材料的制备

2.4 荧光粉玻璃复合材料的结构及性能测试

2.4.1 X射线衍射(XRD)

2.4.2 差热分析(DTA)

2.4.3 激发光谱与发射光谱

2.4.4 扫描电子显微镜(SEM)

2.4.5 X射线光电子能谱分析(XPS)

2.4.6 量子产率

2.4.7 紫外-可见吸收光谱

2.4.8 荧光寿命

第三章 荧光粉玻璃复合材料的性能表征与分析

3.1 CaAlSiN

:Eu

荧光粉的合成及性能分析

3.1.1 CASN-AP与 CASN-HP荧光粉的XRD分析

3.1.2 CASN-AP与 CASN-HP荧光粉的光学性能分析

3.1.3 CASN-AP与 CASN-HP荧光粉的SEM与 EDS分析

3.1.4 CASN-AP与 CASN-HP荧光粉的XPS光电子能谱分析

3.1.5 CASN-AP与 CASN-HP荧光粉的热降解分析

3.2 CaAlSiN

:Eu

荧光粉玻璃复合材料的性能表征与分析

3.2.1 CASN-PiG复合材料的微观形貌和能谱分析

3.2.2 CASN-PiG复合材料的光学性能分析

3.2.3 CASN-PiG复合材料的化学稳定性分析

3.2.4 CASN-PiG复合材料的量子产率分析

3.3 本章小结

第四章 CaAlSiN

:Eu

和SrSi

O

N

:Eu

共掺荧光粉玻璃复合材料

4.1 CASN-PiG/SSON-PiG复合材料的性能分析

4.1.1.CASN-PiG/SSON-PiG复合材料的XRD及SEM分析

4.1.2 CASN-PiG/SSON-PiG复合材料的热稳定性分析

4.1.3 CASN-PiG/SSON-PiG复合材料的发射性能分析

4.1.4 CASN-PiG/SSON-PiG复合材料中的锡离子发光增强机理

4.2 CASN-SSON-PiG共掺杂荧光粉复合材料的光谱分析

4.3 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

本文的研究特色和创新之处

致谢

附录 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文及申请专利