白光LED用硅酸盐荧光粉的结构与性能研究

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近年来,随着新一代照明设备荧光粉转换白色发光二极管(pc-wLED)的兴起,与之相匹配的白光LED用荧光粉的研究也变得越来越热门。本文主要研究了Sr2SiO4∶Eu2+这种传统荧光粉在白光LED领域的潜在应用价值。  本论文共分为四章。第一章主要介绍了Sr2SiO4∶Eu2+荧光粉相关的研究背景。主要包括对其基质硅酸盐结构的简介,以及硅酸盐的性质,硅酸盐一般的应用等;其次是对以硅酸盐为基的各种硅酸盐荧光粉的简介,包括它们的发光原理,发光性质以及应用领域的介绍。最后,介绍了白光LED相关概念,包括白光LED的实现形式,白光LED用荧光粉的研究现状以及本文主要研究对象在白光LED领域的应用前景。  第二章介绍了本人对传统Sr2SiO4∶Eu2+荧光粉的结构与性能方面的研究成果。包括传统Sr2SiO4∶Eu2+荧光粉的合成,相关的实验表征以及其结构与发光性能关系的相关研究。根据前人的研究结果,我们知道Sr2SiO4具有两种物相:β-Sr2SiO4(单斜相)和α'-Sr2SiO4(正交相)。两种物相的相互转变是通过短程重排实现的,在相变过程中没有键的断裂和生成,因此之前的报道中Sr2SiO4∶Eu2+荧光粉经常以两物相的混合形式存在。我们通过高温固相反应法合成了纯的正交相和单斜相的Sr2SiO4∶Eu2+荧光粉。高的煅烧温度能够促进荧光粉的物相由正交相转变为单斜相;而Eu或Ba等大离子的掺杂则会使正交相能稳定存在于高温条件下,这是因为Eu-O及Ba-O的键长较长能弥补正交相中Sr(Ⅰ)位置的键结不饱和的问题。我们提出了Eu2+在不同晶格位置的能级结构示意图,希望能够给相关研究人员提供参考。通过调节各种制备条件,我们合成出了可以发射很大范围的光的荧光粉,我们也给出了它们各自在CIE色度图中的位置,这对于在应用中调节发光应该具有积极的参考意义。  第三章介绍了本人对氮掺杂改性的Sr2SiO4∶Eu2+荧光粉的相关研究成果。包括掺氮Sr2SiO4∶Eu2+荧光粉的合成,实验表征以及其结构与发光性能关系的研究。鉴于Sr2SiO4∶Eu2+荧光粉多变的岛状晶体结构以及对杂质良好的包容性,我们尝试在其晶格中掺入氮,一方面的目的是考虑到一般氮化物稳定的晶体结构,想利用氮提高Sr2SiO4∶Eu2+荧光粉晶格的稳定性;另一方面的目的是通过氮的掺杂改变Eu2+周围的配位环境,使其与氮化物荧光粉中Eu2+的配位环境类似,从而使其发光波长发生红移(氮化物荧光粉通常具有较长的发光波长)。通过在原料中添加少量Si3N4,我们成功合成了具有全光谱发射的Sr2SiO4∶Eu2+荧光粉。我们是利用在合成过程中向荧光粉晶体结构中掺入氮使其改变部分铕离子的配位环境来实现这一成果的。在铕离子的局部配位环境中掺入氮原子会使较松散的局部结构变得更紧凑,而这些被改变了的铕的配位结构使得铕能够发出位于625nm的红光。局部环境及电子结构的改变通过实验测试以及理论模拟都得到了确认。那些仍然具有原始松散配位结构的铕离子依旧表现出传统Sr2SiO4∶Eu2+荧光粉的发光性质。这样,两种不同配位环境的Eu2+共同保证了Sr2SiO4∶Eu2+荧光粉的全光谱发射。另外,氮的掺入确实提高了其发光性能的热稳定性。这样,该荧光粉既可以用作蓝光LED芯片激发的红色荧光粉,也可以用作紫外LED芯片激发的全光谱发射荧光粉,再加之其良好的热稳定性,我们可以确定该荧光粉在白光LED领域的应用前景会非常广阔。  第四章对全文进行了总结并对今后的工作进行了展望。  
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