白光LED用YAG荧光粉的表面修饰研究

摘要

半导体发光二极管(LED)以其高效节能、绿色环保、长寿命等优点受到大力推广，已经成为新一代的照明光源。然而到现在为止，LED照明光源主要应用于室外照明，还远未普及到千家万户，这其中一个很重要的因素就是工业上还不能制备出低成本高效率的白光LED。因此，进一步提高LED白光光源的发光效率是一项非常重要的研究课题，对于促进LED光源应用的普及很有意义。
　　目前市场上占主导地位的白光LED光源的制备法是利用蓝光LED芯片与黄色荧光粉YAG∶Ce3+组合来实现的，所以提高荧光粉的发光性能对于增加LED发光效率是非常重要的。由于现在的商用YAG荧光粉都是通过高温固相反应法来制备的，在这个过程中需要反复地研磨和粉碎才能得到微米量级的荧光粉颗粒。这样得到的荧光粉表面含有很多尖锐的棱角，表面受到不同程度的损伤并且引入大量缺陷，从而大大增加荧光粉对光的散射及降低荧光粉的转换效率。针对该缺点，在对国内外研究动态进行充分调研与分析的基础上，本论文创新性地提出了利用化学湿刻法来去除掉商用YAG荧光粉的表面棱角及缺陷，从而有效改善其各项发光性能，具体研究成果如下:
　　(1)氢氟酸溶液(HF)对YAG荧光粉的表面形貌修饰研究:
　　利用40％HF溶液在80℃超声水浴对YAG荧光粉进行处理3h以上后，荧光粉的表面棱角完全被刻蚀掉，表面变得圆滑平整，表面结晶度也变好（XRD结果）。PL测量定量地得到，经过修饰后的荧光粉对激发光造成的散射损失降低了3.05％，而且其发光强度提高了5.5％，热稳定性也有所提高，这是因为荧光粉表面变圆滑，表面缺陷被有效刻蚀掉从而减小了缺陷对光的猝灭作用，提高了其转换效率。
　　(2)氟化铵与醋酸混合溶液对YAG荧光粉的表面形貌修饰研究:
　　研究了不同体积比的氟化铵与醋酸混合溶液对YAG荧光粉的刻蚀效果，并得到在比例为1∶1时，混合溶液的对YAG荧光粉具有非常好的缺陷选择性刻蚀作用。利用该比例溶液在80℃超声水浴中对YAG荧光粉进行4h左右的处理后，颗粒表面棱角变钝，表面变得微粗糙。正电子湮灭测试定量地得到了缺陷密度降低了50％以上。PL测量结果表明，经过该混合溶液修饰后荧光粉对激发光造成的散射损失降低了5.3％，而且发射功率也增加了13.2％，热稳定性也有所提高。这一方面是由于粗糙化的表面能引起激发光在颗粒表面的多重散射，从而提高荧光粉的吸收效率;另一方面是由于表面缺陷密度下降使得荧光粉的转换效率得到提高的缘故。
　　本论文的另一项主要研究内容是通过旋涂法来制备白光LED平面光源用的远程荧光粉片，分别研究粉层厚度、荧光粉浓度及荧光粉形貌对这种平面光源(rp-LED，rp: remote phosphor)发光效率的影响。具体如下，
　　研究在同一种荧光粉形貌的条件下，不同粉层厚度与不同荧光粉浓度对rp-LED各光色参数的影响。结果表明，荧光粉浓度的变化对白光光源的光色参数影响较大，而粉层厚度的变化对其影响较小，因此可通过适当调整这两个参数来制备出符合各种要求的白光LED平面光源。
　　研究在同一粉层厚度与荧光粉浓度条件下，三种不同荧光粉形貌（Ya为未处理，YFC为经过氟化铵与醋酸混合溶液处理后和YHF为经过HF处理后的荧光粉）对rp-LED光效率的影响。结果表明，经过表面修饰后的荧光粉表面变得圆滑、或是表面棱角变钝和表面粗糙化并且表面缺陷得到去除能明显提高白光LED器件的发光效率，这些结果与理论非常吻合。
　　本论文的研究工作包括对YAG荧光粉的表面修饰和旋涂法制备远程荧光粉片都是属于简单易操作，条件可重复易控制，并可大批量进行处理和生产，成本低廉，非常适合工业化应用。因此，本论文的研究内容对于LED光源的发展和普及具有非常大的意义。

目录

摘要

第一章 绪论

§1．1 研究背景与意义

§1．2 研究现状

§1．2．1 白光LED的研究现状

§1．2．2 荧光粉的研究现状

§1．3 Y3Al5O12∶Ce3+荧光粉

§1．3．1 钇铝石榴石(YAG)的基本物理性质

§1．3．2 铈(Ce)元素的基本物理性质

§1．3．3 YAG∶Ce3+荧光粉的各项属性

§1．4 材料表面的刻蚀方法

§1．4．1 等离子体干刻法

§1．4．2 化学湿刻法

§1．5 远程荧光粉

§1．6 本论文的研究内容和组织结构

§1．6．1 主要研究内容

§1．6．2 组织结构

参考文献

第二章 实验方法

§2．1 YAG∶Ce3+荧光粉表面修饰的实验方法

§2．2 远程荧光粉片的制备

§2．2．1 远程荧光粉片的制备方法

§2．2．2 旋涂仪的介绍

§2．3 样品表征与分析原理

§2．3．1 光谱测量系统及原理

§2．3．2 扫描电子显微镜(SEM)

§2．3．3 X射线衍射分析(XRD)

§2．3．4 正电子湮没技术(PAT)

§2．3．5 金相显微镜

§2．4 等离子体刻蚀法修饰YAG荧光粉的探索性实验

§2．4．1 等离子体的产生方法

§2．4．2 实验结果

§2．4．3 分析与结论

参考文献

第三章 氢氟酸修饰YAG∶Ce3+荧光粉的表面形貌研究

§3．1 结果与分析

§3．1．1 SEM的结果与分析

§3．1．2 XRD的结果与分析

§3．1．3 金相显微镜的结果与分析

§3．1．4 PL的结果与分析

§3．1．5 热稳定性的实验结果与分析

§3．2 结论

参考文献

第四章 氟化氨与醋酸混合溶液修饰YAG∶Ce3+荧光粉的表面形貌

§4．1 结果与分析

§4．1．1 SEM的结果与分析

§4．1．2 XRD的结果与分析

§4．1．3 PAS的结果与分析

§4．1．4 金相显微镜的结果与分析

§4．1．5 PL的结果与分析

§4．1．6 热稳定性的实验结果与分析

§4．2 结论

参考文献

第五章 远程荧光粉(remote phosphor)

§5．1 荧光粉层厚度与荧光粉浓度对rp-LED光参数的影响

§5．1．1 远程荧光粉的制备

§5．1．2 荧光粉层厚度与荧光粉浓度对rp-LED光参数的影响

§5．2 荧光粉形貌对rp-LED光参数的影响

§5．2．1 荧光粉片的光学显微形貌

§5．2．2 光色参数测量结果与分析

§5．3 结论

参考文献

第六章 总结与展望

§6．1 总结

§6．2 展望

致谢

博士期间发表的论文与专利

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