金属离子改性磷酸盐基LED用荧光粉的制备及性能研究

摘要

磷酸盐发光材料具有优异的热和化学稳定性、合成温度低以及对真空紫外吸收效率高等特点，而被广泛应用于照明领域。目前，发光二极管(LED)被视为21世纪最有发展前景的照明技术，它具有高效节能、绿色环保、超长寿命以及显色性好等优势。而传统的LED荧光粉存在红粉发光效率低等严重问题，而如何利用LED技术实现白光发射也成为当前研究所面临的严峻挑战。本文详细综述了磷酸盐发光材料的性质和合成方法以及光致发光的基本理论，采用传统的高温固相法合成了稀土离子和过渡金属离子掺杂的近紫外激发的磷酸盐发光材料Ca2P2O7∶Eu3+，Sr2P2O7∶Eu3+,Na+，Sr2P2O7∶Eu2+和Sr2P2O7∶Eu2+，Mn2+，利用X射线衍射、扫描电镜（透射电镜）、荧光激发和发射光谱、荧光热释性和荧光寿命等分析手段系统研究了所制备样品的晶相、微观形貌及发光特性。本文的主要内容有:
　　(1)采用高温固相法制备了一系列不同浓度掺杂的β-Ca2-xP2O7∶xEu3+(x=0.02，0.04，0.06，0.08，0.10，0.12)高亮度红橙色荧光粉，重点研究了在β-Ca2-xP2O7基质中，激活剂Eu3+浓度诱导晶格畸变方式、抗温度猝灭能力及自身占据基质格位对称性强弱的行为。研究表明，这类荧光粉可以有效地被近紫外光激发，发射主峰位于585，591和610nm，分别归属于Eu3+的5D0→7F1和5D0→7F2特征跃迁。样品的浓度在1～6％变化时，5D0→7F2跃迁与5D0→7F1跃迁的发射强度之比(R/O比)产生巨大变化，表明激活剂Eu3+浓度可诱导自身在β-Ca2P2O7中占据格位对称性发生转变。XRD分析表明，在低浓度情况下，晶格畸变呈现正常的收缩方式;而在高浓度情况下，晶体缺陷增多，取代能力减弱，晶格畸变开始由此转入膨胀的方式。同时，计算了1％和4％浓度样品的色坐标数值，二者均处于红橙色区域。样品可在423 K下保持荧光强度不减弱，在473～573 K发生温度猝灭。因此，β-Ca2-xP2O7∶xEu3+有可能作为潜在的红色组分用于照明领域。
　　(2)采用高温固相法制备了电荷补偿型荧光材料Sr2P2O7∶Eu3+,Na+，在393nm的紫外光激发下，样品的发射主峰位于610nm，归属于Eu3+的5D0→7F2跃迁。对比Li+，Na+，K+作为电荷补偿剂对Sr2P2O7∶Eu3+发光性能的影响，通过XRD和荧光发射光谱分析，证明Na+具有最优的电荷补偿效应。综合考虑荧光发射强度与色度，认为所制备的电荷补偿型荧光粉Sr2P2O7∶Eu3+,Na+的发光性能得到了显著提升，并对其机理进行了详细探讨。本文还对样品进行了寿命、浓度猝灭和温度猝灭效应的研究。以上分析表明，Sr2P2O7∶Eu3+,Na+可作为发光二极管(LED)用的高效的红色荧光粉。
　　(3)通过高温固相法制备了一系列不同浓度Eu2+单掺杂和Eu2+、Mn2+共掺杂的荧光材料Sr2-xP2O7∶xEu2+(x=0，0.005，0.01，0.02，0.025)和Sr1.99-xP2O7∶0.01 Eu2+,xMn2+(x=0.05,0.1,0.15,0.2)。采用XRD,SEM和荧光光谱等手段系统分析了样品的晶相、形貌和荧光性质。分析表明，当焙烧温度为1050℃时，所得样品属于单相斜方晶系，结晶性良好，颗粒均匀。在355nm紫外光激发下，Sr2P2O7∶Eu2+呈现370～480nm的宽带发射，主峰位于418nm，归属于Eu2+的5d→4f允许跃迁，并研究了其浓度猝灭效应及机理。通过共掺杂Mn2+调节荧光色度，实现白光发射。Eu2+作为敏化剂，向Mn2+传递能量，增强Mn2+的d-d跃迁，使其适用于白光发光二极光(WLED)照明。

目录

摘要

1 绪论

1．1 发光现象与发光材料概述

1．1．1 照明技术的发展历程

1．1．2 发光现象的分类

1．1．3 发光材料的定义及效率

1．1．4 磷酸盐发光材料

1．1．5 发光材料的应用

1．1．6 自光LED技术

1．2 磷酸盐发光材料的制备方法

1．2．1 高温固相法

1．2．2 共沉淀法

1．2．3 溶胶凝胶法

1．2．4 溶液燃烧法

1．2．5 微波合成法

1．3 光致发光的基本理论

1．3．1 激发和发射光谱

1．3．2 稀土离子的能级和跃迁

1．3．3 能量传递

1．4 测试及表征

1．4．1 晶相分析

1．4．2 荧光激发与发射特性分析

1．4．3 荧光热稳定性分析

1．4．4 微观形貌分析

1．5 本课题主要研究内容

2 β-Ca2P2O7：Eu3+荧光粉的制备及激活剂浓度诱导自身占据基质格位对称性的研究

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 样品制备

2．2．2 测试与表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 晶相分析

2．3．2 发光特性

2．3．3 色度

2．3．4 微观形貌分析

2．3．5 荧光热稳定性分析

2．4 本章小结

3 电荷补偿型红色荧光粉Sr2P2O7：Eu3+，Na+的制备及发光性能的研究

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 样品制备

3．2．2 测试与表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 晶相分析

3．3．2 激发性质分析

3．3．3 发射性质分析

3．3．4 色度分析

3．3．5 浓度猝灭效应

3．3．6 荧光寿命

3．3．7 荧光热稳定性

3．4 本章小结

4 Eu2+在位α-Sr2P2O7中的发光及Eu2+→Mn2+的能量传递

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 样品制备

4．2．2 测试与表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 晶相分析

4．3．2 激活剂价态分析

4．3．3 Sr2P2O7：Eu2+的浓度猝灭研究

4．3．4 Sr2P2O7：Eu2+，Mn2+的能量传递

4．3．5 色度分析

4．3．6 微观形貌分析

4．4 本章小结

5 结论

6 创新点及展望

致谢

参考文献

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