稀土掺杂Ca2BO3Cl荧光粉的合成、发光特性及其在白光LEDs中的潜在应用

摘要

白光LEDs是照明领域的革新者，白光LEDs用荧光粉亦成为发光领域的研究热点之一。本文采用高温固相法，以Ca2BO3Cl为基质，以Eu2+、Ce3+、Tb3+、Eu3+及Sm3+等为激活剂，制备了在白光LEDs领域有潜在应用价值的荧光粉，研究了材料的发光性质。本研究主要内容包括：
　　⑴获得了蓝光激发型Ca2BO3Cl∶Eu2+黄色发光粉，研究了材料的发光性质。研究发现，在460nm蓝色光激发下，材料呈一非对称的单峰发射，主峰位于573 nm，对应Eu2+的4f65d1→4f7跃迁。分析认为，Ca2BO3Cl∶Eu2+呈现非对称发射的原因是Eu2+取代Ca2BO3Cl中两种Ca2+格位，形成了两种不同的发光中心。Eu2+的掺杂量影响了材料的发光强度，出现了浓度猝灭现象，猝灭机理为电偶极-电偶极相互作用。利用理论公式计算得到了Rc为2.166 nm，利用光谱数据，计算得到的Rc为2.120nm，二者符合较好。研究了CaCl2和H3BO3用量对材料发光特性等的影响。结果显示，添加过量的CaCl2或H3BO3，均能提高材料的发射强度，CaCl2和H3BO3最佳的摩尔用量分别为过量5％和15％。将Ca2BO3Cl∶Eu2+材料与460 nm InGaN芯片组合，获得了白光LEDs，色坐标为(0.339，0.351)。
　　⑵获得了适于紫外-近紫外光激发的发光颜色由蓝-绿可变的Ca2BO3Cl∶Ce3+，Tb3+荧光粉。Ce3+、Tb3+在Ca2BO3Cl中分别发射蓝和绿色光，且发射强度随Ce3+和Tb3+掺杂浓度的增大，均表现出先增大、后减小的变化趋势，当Ce3+、Tb3+摩尔掺杂量分别为3％和5％时，强度最大。通过调节Ce3+、Tb3+配比，获得了发光颜色由蓝到绿逐渐变化的Ca2BO3Cl∶Ce3+，Tb3+荧光粉，通过Ce3+、Tb3+间的能量传递，可有效提高Tb3+在Ca2BO3Cl材料中的发射强度。结果显示，Ca2BO3Cl∶Ce3+，Tb3+是一种在紫外基白光LEDs领域有潜在应用价值的颜色可调型荧光粉。
　　⑶获得了长波紫外光激发型Ca2BO3Cl∶Sm3+、Ca2BO3Cl∶Eu3+和Ca2BO3Cl∶Sm3+，Eu3+荧光粉，研究了材料的发光性质。结果表明，以401 nm近紫外光作为激发源时，Ca2BO3Cl∶Sm3+材料发射橙红光，主峰位于603n m;以392nm近紫外光作为激发源时，Ca2BO3Cl∶Eu3+材料发射红色光，主峰位于623nm，但是，材料在395-405nm波段吸收较弱。添加Sm3+于Ca2BO3Cl∶Eu3+材料，发现Sm3+对Eu3+有很好的敏化作用，通过Sm3+对Eu3+的能量传递，有效地改善了Ca2BO3Cl∶Sm3+，Eu3+材料在395-405 nm区域的吸收特性;通过调整Sm3+掺杂量，明显增强了材料的发射强度，强于商业Y2O2S∶0.05Eu3+的发射强度，材料的色坐标接近标准的红色区域。此外，通过记录Sm3+的发射强度随Eu3+掺杂量的变化情况，计算得到Sm3+、Eu3+间能量传递的有效临界距离为2.17 nm。上述研究结果表明Ca2BO3Cl∶Sm3+，Eu3+是一种有应用前景的三基色白光LEDs用红色发光粉。
　　⑷获得了Ca2BO3Cl∶Tb3+及Ca2BO3Cl∶Tb3+，A+(A=Li、Na、 K)荧光粉，研究了材料的发光特性等。结果显示，添加补偿电荷A+(A=Li、Na、 K)，可有效地提高Ca2BO3Cl∶Tb3+材料的绿色发射强度，补偿电荷为Li+、Na+、K+时，分别提高了1.61、1.97和1.81倍，对应的色坐标为(0.335，0.584)、(0.335，0.585)和(0.335，0.585)。可见，A+(A=Li、Na、 K)是能够改善Ca2BO3Cl∶Tb3+材料性能的优质补偿电荷，且以Na+为最优。

目录

声明

致谢

摘要

序

1 引言

1．1 白光LEDs的研究进展

1．1．1 光源的研究进展

1．1．2 白光LEDs用荧光粉的研究进展

1．2 基本概念及原理

1．2．1 发光的基本概念

1．2．2 稀土离子的发光原理

1．2．3 稀土离子的浓度猝灭

1．2．4 能量传递机理

1．2．5 荧光粉的主要合成方式

1．3 研究内容、研究方法和实验设计、预期结果等

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 研究方法

1．3．3 实验设计方案

1．3．4 预期结果和意义

2 Ca2BO3Cl∶Eu2+材料的合成、发光及在白光LEDs中的应用

2．1 实验

2．1．1 材料制备

2．1．2 性能测量

2．2 结果与讨论

2．2．1 材料的晶体结构

2．2．2 材料的激发与发射光谱

2．2．3 Eu2+在Ca2BO3Cl中的浓度猝灭及机理

2．2．4 Eu2+在中的晶体学格位

2．2．5 CaCl2及H3BO3用量对Ca2BO3Cl∶Eu2+性能的影响

2．2．6 白光和黄光LED的性能

2．2．7 Ca2BO3Cl∶Eu2+温度稳定性分析

2．3 本章小结

3 Ce3+、Tb3+在Ca2BO3Cl中的发光及其能量传递

3．1 实验

3．1．1 材料制备

3．1．2 性能测量

3．2 结果与讨论

3．2．1 材料的晶体结构

3．2．2 Ce3+在Ca2BO3Cl材料中的发光及浓度猝灭

3．2．3 Tb3+在Ca2BO3Cl材料中的发光及浓度猝灭

3．2．4 Ce3+、Tb3+在Ca2BO3Cl材料中的能量传递及其机理

3．2．5 Ca2BO3Cl∶Ce3+，Tb3+材料的色坐标

3．3 本章小结

4 Sm3+、Eu3+在Ca2BO3Cl中的发光及其能量传递

4．1 实验

4．1．1 材料制备

4．1．2 性能测量

4．2 结果与讨论

4．2．1 材料的晶体结构

4．2．2 Ca2BO3Cl∶Eu3+材料的发光特性

4．2．3 Ca2BO3Cl∶Sm3+材料的发光特性

4．2．4 Ca2BO3Cl∶Sm3+，Eu3+材料的晶体结构

4．2．5 Ca2BO3Cl∶Sm3+，Eu3+材料的发光特性

4．3 本章小结

5 A+(A=Li、Na、K)对Ca2BO3Cl∶Tb3+发光特性的影响

5．1 实验

5．1．1 材料制备

5．1．2 性能测量

5．2 结果与讨论

5．2．1 材料的晶体结构

5．2．2 材料的发光特性

5．3 本章小结

6 结论

参考文献

作者简历

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