白光LED用Ba9Y2Si6O24基荧光粉的氮化增效与光谱特性研究

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在LED的固态照明设备已经逐步取代传统光源的发展趋势下,白光LED照明在鲁棒性,发光效率,环境友好性和节能性等方面表现突出。荧光粉在确定白光LED发光性能方面起着十分重要的作用。目前,蓝光LED芯片+YAG:Ce3+荧光粉的组合的商用白光LED存在显色指数偏低(Ra<80),色温较高(CCT>6000K)的缺陷,长期使用,不利人眼的健康。许多研究人员开始通过氮化处理或者阳离子取代技术,来提升YAG荧光粉的发光性能。另外,越来越多的科研人员也开始注意到硅酸盐荧光粉表现出的优势,硅酸盐物理化学稳定性好,原料丰富,且成本低。Ba9Y2Si6O24基荧光粉作为一种新型硅酸盐系列荧光粉,表现出较好的发光效率,并且在蓝光或紫外光范围均可被有效激发。但是,相对于YAG荧光粉和一些氮化物荧光粉,其发光强度以及热稳定性都还有些许不足。本论文旨在通过氮化技术以及离子共掺技术,调节Ba9Y2Si6O24基荧光粉的荧光光谱性能,研制出新型的,稳定的荧光粉。具体内容如下:(1)在H2/N2混合气体环境下,采用高温固相法制备出Ba9Y2Si6O24-1.5xNx:0.06Ce3+荧光粉。根据XRD衍射分析,Rietveld精修,荧光光谱以及第一性原理计算,分析了Ce3+离子在基质中的占位情况及其发光特性。与Ba9Y2Si6O24:Ce3+荧光粉相比,氮化后的Ba9Y2Si6O24:Ce3+荧光粉的发光强度有了很大的提升。氮化后,由于N3--p轨道和Ce3+-d轨道之间的p-d轨道杂化,导致Ce3+(Ba(1))和Ce3+(Ba(2,3))发光中心的发射光谱出现红移。同时,通过光谱分析指出了Ce3+(Ba)发光中心对Ce3+(Y)发光中心间存在能量转移。氮化后的荧光粉表现出较好的热稳定性能。在180℃时,Ba9Y2Si6O24-1.5xNx:0.06Ce3+的发光强度是室温下的129%。氮化Ba9Y2Si6O24:Ce3+荧光粉的发光性能都是优于Ba9Y2Si6O24:Ce3+的。这表明该荧光粉在白光LED应用上有很好的潜力。(2)在Ba9Y2Si6O24-1.5xNx:0.06Ce3+的基础上,利用共掺杂技术,将Mn2+离子引入到荧光粉中。研究Ce3+→Mn2+之间的能量传递效应,实现了发光颜色调控。根据单掺杂Ce3+离子与Mn2+离子的光谱分析,说明在Ba9Y2Si6O24-1.5xNx:0.06Ce3+,yMn2+荧光粉中存在Ce3+(Ba)→Mn2+和Ce3+(Y)→Mn2+的有效能量传递。在395nm激发下,发射主要以Ce3+(Y)中心蓝绿带发射为主,并简单分析了Ce3+(Y)→Mn2+的能量传递。对应的,在330nm激发下,随着Mn2+离子浓度变化,荧光粉发光颜色可从蓝绿波段移至红光波段。通过荧光寿命曲线,得出Ce3+(Ba)→Mn2+的能量传递效率可达到68%,并确定了能量传递的作用方式为电四极-电四极相互作用实现。(3)采用传统高温固相反应制备出Ba9Y2Si6O24-1.5xNx:0.6Eu2+荧光粉,研究氮化技术对Ba9Y2Si6O24:Eu2+荧光粉的增效作用。并在最佳氮浓度下,加入Mn2+离子,实现Eu2+→Mn2+的能量传递机制,调控发光颜色。对于Ba9Y2Si6O24:0.6Eu2+荧光粉,氮化前后的光谱显示,在最佳N3-浓度下的Ba9Y2Si6O24-1.5xNx:0.6Eu2+发光强度提升了大约1.8倍。并且氮化后的Ba9Y2Si6O24:0.6Eu2+荧光粉的热稳定也得到提升。通过掺杂Mn2+离子,研究了Mn2+离子浓度对Eu2+离子的光谱和荧光寿命的影响以及Eu2+离子和Mn2+离子之间的能量传递机制,实现了发光从绿到红光的调控。荧光粉的热稳定曲线显示,Mn2+离子加入会降低该荧光粉的热稳定性能,但是其外量子效率得到提升。根据色坐标图可以发现,只要适当调控Eu2+离子和Mn2+离子的比例,就可以得到最佳的白光。
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