白光LED用稀土掺杂α-SiAlON光转换材料的制备及发光性能研究

摘要

采用高温固相反应(SSR)和碳热还原氮化(CRN)两种工艺制备了稀土掺杂a-SiAlON光转换材料。利用X射线衍射仪(XRD）、扫描电子显微镜(SEM)、荧光分光光度计对样品进行了分析，研究了稀土掺杂离子、主晶格组成、合成工艺参数等对光转换材料荧光性能的影响。研究结果表明：（1）对于高温固相反应a-SiAlON光转换材料，样品均以a-SiAlON为主晶相。Eu2+等稀土掺杂离子在a-SiAlON主晶格中实现了良好掺杂。通过改变稀土掺杂离子浓度，稳定离子种类，m值以及工艺参数，可以对光转换材料进行有效的光谱剪裁。对于Eu2+，Tb3+，Dy3+掺杂Ca-a-SiAlON在色度图上分别位于黄绿光区、绿光区和近白光区。对于Li+，Ca2+，Y3+稳定a-SiAlON:Eu2+光转换材料，Ca2+稳定的样品具有最高的发光强度。对于20at.％ Eu2+掺杂Ca-a-SiAlON，主晶格组成为m=2.5的样品荧光强度最高。提高合成温度，可以改善Eu2+离子的分布均匀性。采用氢气，氮气混合气合成的Ca-a-SiAlON:Eu2+的发光强度要高于氮气气氛合成的样品。（2）对于碳热还原氮化Ca-a-SiAlON光转换材料，以SiO2作为起始材料碳热合成的样品以非晶玻璃的形式存在，而以Si3N4作为起始材料碳热合成的样品没有SiC杂相，为单相Ca-a-SiAlON，同时样品表面存在少量的在脱碳过程中生成的非晶硅酸盐。非晶玻璃样品的激发光谱范围为：～ 260nm-380 nm，发射光谱峰值波长为：～425nm-450 nm。随着Eu2+掺杂量的增加，荧光光谱出现了红移和猝灭现象。Si3N4碳热合成Ca-a-SiAlON光转换材料的样品，其荧光光谱有一定的蓝移，同时短波段的吸收峰消失。Si3N4碳热合成Ca-a-SiAlON:Eu2+机理分析表明，起始材料首先生成钙铝酸盐中间相。由钙铝酸盐中间相产生的低温共晶液相促进了氮化物层的形核长大。随着温度和时间的增加，氮化物层和Si3N4发生反应，最终合成Ca-a-SiAlON:Eu2+光转换材料。