激光显示用Ga/Sb掺杂YAG：Ce荧光粉光学性质的第一性原理研究

摘要

近年来，随着人们对显示质量需求的提高，各种显示技术应运而生。其中，激光显示技术以其特有的色域广、亮度高、饱和度高等优点，引起了各大厂商和科研人员的注意，激光显示用荧光粉材料是激光显示技术的核心，获得性能优异的荧光粉是目前科研人员的一大课题。Ce掺杂YAG荧光粉具有易被蓝光激发、发射光谱宽、耐高温性能好等优点，是激光显示技术中应用非常广泛的一种荧光粉。尽管Ce掺杂YAG荧光粉具有良好的发光特性和稳定性，它也存在一定的问题，例如荧光寿命过长、量子产率低以及光谱红光成分不足等，其中光谱红光成分不足的问题会导致白光显色指数低，进而影响到激光显示系统的显色性能，严重限制了该荧光粉在激光显示领域的使用。目前所使用的解决方法主要为在Ce掺杂YAG荧光粉中掺入其他的稀土离子或者金属阳离子，以改变荧光粉的发光性能。Ga和Sb是该荧光粉常用的两种掺入元素，在实验制备中应用的非常广泛。但是关于这两种元素掺入后理论方面的研究比较少，因此本文采用第一性原理计算的方法研究了Ga和Sb的掺杂效应。
　　本文采用第一性原理的方法，采用广义梯度泛函，对Ga和Sb掺杂前后的荧光粉体系的相关性质进行了模拟计算，根据计算结果研究了Ga取代Y和Ga取代Al进入YAG晶格后对荧光粉体系的影响，同时研究了Sb取代Y进入YAG晶格后以及不同Sb掺杂组分对荧光粉体系的影响，文中我们分两部分对Ga掺杂YAG荧光粉体系和Sb掺杂YAG荧光粉体系的性质进行了计算分析。
　　(1)采用第一性原理计算方法计算了Ga掺杂YAG∶Ce荧光粉体系的晶体结构、能带结构和吸收光谱，以分析Ga掺入的影响。Ga可以占据Al和Y两种不同的格位，这两种取代体系相比于掺杂之前能量变化都不大，结构比较稳定。在Ga取代Al的体系中，晶格常数增大;在Ga取代Y的体系中，晶格常数减小。两种取代体系的带隙相比掺杂之前都有所减小，使得跃迁所需的能量降低，吸收光谱发生红移，同时Ga取代Al的体系吸收光谱峰值增大，Ga取代Y的体系吸收光谱峰值减小。我们还通过对Ce的4f能级的分析，发现Ga取代Al的体系中激发和发射光谱发生了蓝移，而Ga取代Y的体系中激发和发射光谱出现了红移。
　　(2)采用第一性原理计算方法计算了Sb掺杂YAG∶Ce荧光粉体系的晶体结构、能带结构和吸收光谱，Sb可以占据Y的格位，不同掺杂组分的取代体系相比于掺杂之前能量变化都不大，结构比较稳定。Sb取代Y进入晶格后，修复了由于Ce的掺入导致的晶格畸变，使得整个掺杂体系更加稳定，有利于提升荧光粉的发光性能。不同组分的取代体系的带隙相比掺杂之前都有所减小，使得跃迁所需的能量降低，吸收光谱发生红移。同时Sb掺入后，在带隙中出现了新的杂质能级。Sb掺入后，由于带隙的减小和杂质能级的产生，吸收光谱发生了红移并且吸收光谱的强度增大，并且随着掺杂组分的提高，红移的幅度和吸收光谱的强度逐渐增大。

目录

声明

摘要

符号说明

1．1 传统显示技术

1．2 激光显示

1．2．1 第一代激光显示技术

1．2．2 第二代激光显示技术

1．3 光致发光材料

1．3．1 定义

1．3．2 分类

1．3．3 荧光粉的性能参数

1．3．4 荧光粉的应用

1．4 稀土发光材料

1．4．1 引言

1．4．2 稀土元素简介

1．4．3 稀土元素的电学性质

1．4．4 稀土元素的光学性质

1．5 本文的主要研究内容

2．1 引言

2．2 密度泛函理论

2．2．1 绝热近似

2．2．2 Hartree-Fock近似

2．2．3 Hohenberg-Kohn定理

2．2．4 Kohn-Sham方程

2．2．5 交换关联势

2．2．6 赝势

2．3 第一性原理计算软件

2．3．1 Material Studio软件

2．3．2 CASTEP

第三章 Ce、Ga共掺的YAG荧光粉的第一性原理研究

3．1 引言

3．2 构建模型和计算方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 结构优化

3．3．2 能带结构和态密度

3．3．3 吸收光谱

3．4 本章小结

第四章 Ce、Sb共掺的YAG荧光粉的第一性原理研究

4．1 引言

4．2 构建模型和计算方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 结构优化

4．3．2 能带结构和态密度

4．3．3 吸收光谱

4．4 本章小结

5．1 论文完成的工作

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况