分步煅烧法制备Sr2SiO4:Eu3+荧光粉及其发光性能研究

摘要

白光LED具有环保、低能耗、发光效率高、寿命长等优点，被认为是一种新型的绿色光源。其中，紫外/近紫外LED芯片涂覆红、绿、蓝三基色荧光粉，通过调控三色比例来实现白光发射的技术，具有光电转换效率高、显色性好等优点，是未来最具潜力的白光LED方案。所以，研究探索能够被紫外光芯片（350~410nm）有效激发的荧光粉是非常有意义的。本文选择化学性质稳定、不易潮解、原料廉价易得的硅酸盐作为基质，通过分步煅烧法合成了Sr2SiO4:xEu3+荧光粉，利用X射线衍射(XRD)对样品进行物相分析，利用场发射扫描电镜(F E-S EM)观测形貌的变化规律，利用激发光谱、发射光谱和荧光衰减寿命等来研究荧光粉的发光性质。从节能、应用的角度，研究了在较低的温度下合成应用于白光LED的可被394nm左右近紫外光有效激发的红色荧光粉。
　　本研究主要内容包括：⑴研究了在相对较低的温度下合成Sr2S iO4粉体的制备工艺。分别在不同温度（800℃，900℃，950℃，1100℃，1300℃）,不同煅烧时间（1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h），不同升温速率（2℃/min、3℃/min、5℃/min、7℃/min、10℃/min、15℃/min、20℃/min）条件下合成的系列样品，结果表明，1300℃高温下合成的粉体中存在β-Sr2SiO4相，而在950℃时，反应并不完全，单因素改变实验条件对于粉体合成的并无明显的促进作用。进一步提出多次煅烧思想：在温度为950℃，煅烧时间2h~4h，升温速率（2℃/min~7℃/min）的快速与慢速条件下分别控制不同的反应阶段，结合不同的煅烧次数，得出在不同时间阶段以不同的速率进行升温，可能对其晶体生长有较好的促进作用。最终确定优化的制备工艺为温度均为950℃的分步煅烧制度，即（2℃/min，2h）→（7℃/min，4h）→（7℃/min，2h）条件下能够合成纯相α-Sr2SiO4。⑵对Sr2SiO4:xEu3+荧光粉的发光性质进行了系统研究。结果表明， Sr2SiO4:xEu3+的激发光谱在350~420nm有强的吸收峰，最强峰为394nm左右，与发紫外光的LED芯片相匹配，是一种能被G aN基LED芯片有效激发的红色荧光粉。在 Sr2SiO4中，Eu3+取代非反演对称格位 Sr(Ⅰ)和反演对称格位 Sr(Ⅱ)的概率基本相等，其发射以5D0→7F1(593nm)磁偶极跃迁和5D0→7F2(619nm)电偶极跃迁为主；随着Eu3+离子掺杂量增加，色坐标稍有变化，但幅度不大，发光强度在超过6mo l％后开始下降，发生浓度猝灭，引起 Eu3+浓度猝灭的机理是电偶极-电偶极相互作用，Sr2SiO4:0.06Eu3+荧光粉的CIE坐标为（0.6024,0.3969），色温为1715K，色纯度为78.3%。⑶研究了助熔剂对Sr2SiO4:0.06Eu3+荧光粉发光性能的影响。结果表明，添加不同助熔剂均能增强荧光粉发光强度。其中，以NH4F，NaF，NH4Cl， H3BO3作为助熔剂，掺杂量均为1mol%时，添加NH4Cl的样品的发光强度最高，在Sr2SiO4:0.06Eu3+荧光粉中， NH4Cl添加量为1mol%，2mol%，3mo l%，4mol%，5mo l%时荧光粉的荧光寿命分别为1.94，2.14，2.05，2.27和2.25ms。NH4C l的最大添加量为4mol%，对应的寿命值最长。⑷研究了电荷补偿剂对 Sr2SiO4:0.06Eu3+荧光粉发光性能的影响。结果表明，以 Li2CO3、Na2CO3、K2CO3作为电荷补偿剂时，均能增强荧光粉的发光强度。在 Sr2SiO4:0.06Eu3+，yR+（R=Li+、Na+、K+）荧光粉中，Li+、Na+、K+的最大添加量均为3mol%。在 Sr2SiO4:0.06Eu3+，0.03R+（R=Li+、Na+、K+）荧光粉中，掺 Na+离子的发射光谱增强效果最好，其平均粒径为6.60μm，寿命为2.26ms，色温为1768K，色纯度达80.5%。 CIE色坐标从（0.6024,0.3969）迁移至(0.6131,0.3864)，更加接近商用红色荧光粉的CIE色坐标（0.655,0.345），能够用于近紫外芯片激发的白光 LED用红色荧光粉。

目录

1 绪论

1.1研究背景

1.2荧光粉材料制备的方法

1.3 改善荧光粉发光性质的方法

1.4 Sr2SiO4研究现状

1.5本论文的主要研究内容

2 实验部分

2.1实验原料

2.2实验仪器

2.3 Sr2SiO4粉体的制备方法及过程

2.4 Sr2SiO4粉体的表征

3 分步煅烧法制备Sr2SiO4基体

3.1引言

3.2 Sr2SiO4粉体的制备

3.3 TG-DSC分析

3.4煅烧温度、保温时间、升温速率对合成样品物相的影响

3.5分步煅烧对合成样品物相的影响

3.6小结

4 Eu3+掺杂量对Sr2SiO4:E u3+荧光粉物相及发光性能的影响

4.1引言

4.2 Sr2SiO4:xEu3+制备流程

4.3 Eu3+掺杂量对Sr2SiO4:Eu3+物相的影响

4.4 Eu3+掺杂量对Sr2SiO4:Eu3+发光性能的影响

4.5小结

5助熔剂对Sr2SiO4:E u3+荧光粉物相及发光性能的影响

5.1引言

5.2制备流程

5.3助熔剂对Sr2SiO4:Eu3+荧光粉物相的影响

5.4助熔剂对Sr2SiO4:Eu3+荧光粉发光性能的影响

5.5 NH4Cl添加量对Sr2SiO4:Eu3+物相及发光性能的影响

5.6小结

6电荷补偿剂对Sr2SiO4:E u3+荧光粉物相及发光性能的影响

6.1引言

6.2 Sr2SiO4:Eu3+,yR+制备流程

6.3 Li+离子对Sr2SiO4:Eu3+物相及发光性能的影响

6.4 Na+离子对Sr2SiO4:Eu3+物相及发光性能的影响

6.5 K+离子对Sr2SiO4:Eu3+物相及发光性能的影响

6.6 Sr2SiO4:0.06Eu3+,0.04R+(R=Li+，Na+，K+)形貌及发光性能研究

6.7小结

7 总结与展望

7.1 全文工作总结

7.2 未来工作展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术成果

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