Eu3+掺杂钛酸盐红色LED材料.docx

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Eu3+掺杂钛酸盐红色LED材料

Eu3+掺杂钛酸盐红色LED材料

【摘要】：

白色发光二极管被誉为第四代照明光源，由于它具有使用寿命长、节能环保、显色效果好以及污染较小的特点，是一种新型的固态照明光源，近年来备受科研人员的广泛关注。

现阶段较为普遍制作白光LED的方法是蓝色LED芯片激发黄色荧光粉，但是这种方法缺少了一定的红色成分，使得其显色指数和色温等光学性能参数不太理想。

因此，寻找能够与白光LED相匹配的红色荧光粉显得尤为重要。

本次毕业设计通过高温固相法合成制作得到NaY1-xTiO4：

xEu3+荧光粉，同时本论文也详细探究了样品的发光性能。

在615nm发射波长监控下，该发光材料的激发峰位置处于362nm、383nm、396nm、409nm以及465nm处，其分别对应7F0→5D4、7F0→5G2、7F0→5L6、7F0→5D3和7F0→5D2跃迁。

该发光材料在受到396nm波长辐照时，掺杂不同浓度Eu3+样品都有3个明显发射峰，其位置位于590nm、615nm和702nm处。

通过XRD衍射仪测试掺杂入各种Eu3+浓度的发光材料的物相结构，发现掺入不同Eu3+浓度后没有改变基质的晶体结构。

通过测量Eu3+浓度与发光强度的关系，可知，当Eu3+掺杂的量增加时，荧光材料的发光强度是先变强后变弱，掺入浓度为10％时样品的发光强度最大。

经研究表明NaYTiO4：

Eu3+系列发光材料与LED芯片匹配，其在白光LED中的应用很有研究价值。

【关键词】：

铕离子，钛酸盐，高温固相法，发光材料

Eu3+-dopedredtitanatematerialsforLED

Abstract：

Whitelight-emittingdiodeisknownasthefourth-generationlightingsource.Becauseofitslongservicelife,energysavingandenvironmentalprotection,goodcolorrenderingeffectandlowpollution,itisanewtypeofsolid-statelightingsource,whichhasbeenwidelyusedbyresearchersinrecentyears.Atpresent,themethodformakingwhiteLEDsismorecommon.TheblueLEDchipexcitestheyellowphosphor,butthismethodlacksacertainredcomponent,whichmakestheopticalperformanceparameterssuchascolorrenderingindexandcolortemperaturelessthanideal.Therefore,itisparticularlyimportanttofindredphosphorsthatmatchthewhiteLEDs.ThegraduationdesignwassynthesizedbyhightemperaturesolidphasemethodtoobtainNaY1-xTiO4:

xEu3+phosphor.Atthesametime,theluminescencepropertiesofthesamplewerealsostudiedindetail.Underthemonitoringoftheemissionwavelengthof615nm,theexcitationpeakpositionsoftheluminescentmaterialsareat362nm,383nm,396nm,409nmand465nm,whichcorrespondto7F0→5D4,7F0→5G2,7F0→5L6,7F0→5D3and7F0→5D2transition.Whenirradiatedby396nmwavelength,theluminescentmaterialhasthreedistinctemissionpeakswithdifferentconcentrationsofEu3+,anditspositionsarelocatedat590nm,615nmand702nm.ThephasestructureoftheluminescentmaterialsdopedwithvariousEu3+concentrationswastestedbyXRDdiffractometry,anditwasfoundthatthecrystalstructureofthematrixwasnotchangedaftertheconcentrationofdifferentEu3+wasincorporated.BymeasuringtherelationshipbetweenEu3+concentrationandluminescenceintensity,itcanbeseenthatwhentheamountofEu3+dopingincreases,theluminescenceintensityofthefluorescentmaterialbecomesstrongerfirstandthenbecomesweaker,andtheluminescenceintensityofthesampleisthelargestwhentheconcentrationis10%.TheresearchshowsthattheNaYTiO4:

Eu3+seriesofluminescentmaterialsarematchedwithLEDchips,anditsapplicationinwhiteLEDsisofgreatresearchvalue.

Keywords：

Eu3+，titanate，hightemperaturesolidphasemethod，luminescentmaterials

1.绪论

1.1课题背景

从远古刀耕火种时期到现代，人类都恐惧黑暗喜爱光明，从未放慢对照明方式的研究进程。

从无意见证雷击木的燃烧到有意的钻木取火，再到蜡烛煤油灯的使用，光源的进程成为社会进步的缩影。

1879年，白炽灯由美国爱迪生研制发明，使人类的有效生活时间大大延长，对推动了人类文明进程有积极的意义[1]。

时代在进步，环保和能源问题成为现阶段工业发展的主题，而白炽灯由于其使用寿命低，光效低等缺点，逐步退出了历史的舞台。

之后又出现了低压钠灯、荧光灯、节能灯等各种灯具，它们各具优缺点。

1962年，应运而出的半导体二极管由于其体积小，安全可靠，寿命长，环保节能等特点而逐步走进了千家万户，开启了照明的新时代。

在能源与环保的时代主题下，LED的发展受到多方面的关注。

在21世纪初，我国规划了未来LED发展的蓝图，LED产业化进程飞速发展。

与此同时，LED用荧光材料也加大了研究投入，专项LED发光材料的发展进入了崭新阶段。

而未来的主流灯具必将是光效高，寿命长，体积小，节能环保等多重优势的LED灯。

1.2白色发光二极管（WLED）概述

白色发光二极管一般是由LED芯片和涂敷在上的荧光粉组成的。

白光LED具有体积小，耗电低，节能环保，不易老化，显色性好，色温可调节等优点，相比传统光源具有很大的改进，可运用于现实生活中多种领域，白光LED像曾经白炽灯一样，引发了照明技术的革命，因此也被称为第四代照明光源[2]。

1.2.1白光LED实现方式

目前，利用LED技术实现白光的方法主要有三种

（1）三基色LED芯片直接混色法：

直接将发射红、绿、蓝波长的三基色芯片组合封装在一起，按照适当的比例进行匹配，形成多芯片型白光LED。

这种方法可以简单调节色温和显色性，但成本太高，电路复杂[3]。

（2）紫外转换法：

以GaN基近紫外LED芯片为基础光源，用LED发出的紫外光（390~400nm）激发荧光材料，通过荧光粉实现波长转换，发出红、绿、蓝三基色光混合成白光；这种方法紫外光本身不参与白光，颜色控制比蓝光更为简单，但荧光粉的效率会随激发光源的能量增大而减小[4]。

（3）蓝光LED激发黄色荧光粉法：

利用波长为460~470nm的GaN基蓝光LED芯片作为基础光源，在其外层涂敷一层黄色荧光粉（YAG:

Ce），其发出的蓝光一部分用来激发荧光粉，使荧光粉发出黄绿色光，另一部分透过荧光粉发射出来，黄绿色光与蓝光混合形成白光。

这种方法是市场上较为主流的方法，其组合方式简单，成本较低，但显色性差，缺少一个红色组成成分[5]。

1.2.2白光LED存在的问题

目前，发光二极管的光谱并不完善。

如蓝光激发型白色发光二极管，LED工作器件温度和使用时间的增加极大影响了芯片的发射波长，进一步影响了蓝光和黄光的叠加效果，导致色漂移。

而要弥补显色方面的缺陷，可增加可以被蓝光、紫外、近紫外激发光源的高效红色荧光粉。

并且近些年来所使用的近紫外LED用荧光粉与LED芯片并不能很好匹配，能匹配的荧光粉其化学性质也不足够稳定[6]。

1.3发光材料概述

发光材料是指能够以某种方式吸收能量，将其转换成光辐射（非平衡辐射）的物质。

发光材料主要是由基质、激活剂所组成，此外可能还有助溶剂、敏化剂等。

发光材料的基质主要有：

氧化物及某些多元复合体系，如Y2O3、Gd2O3、Y3Al5O12等；含氧酸盐如硅酸盐、钛酸盐、钨酸盐、硼酸盐等[7].激活剂是指在基质中掺杂的少量或微量具有一定光学活性的杂质，可以在很大程度上影响决定发光的颜色、强度和其他光学性能。

激活剂离子也成为发光中心离子，它的电子跃迁是导致发光的主要因素。

绝大部分激活剂离子都是金属，较为典型的是过渡金属、稀土金属，也有少数是重金属。

敏化剂的作用是从外界吸收激发能量，再将激发能量传递给激活剂，产生荧光现象。

发光材料的组成通式一般可表示为：

（基质分子式：

激活剂离子，敏化剂离子）。

1.3.1发光材料的原理及分类

稀土发光材料的发光是基于他们的4f电子在f-f组态内或f-d组态间的跃迁。

发光材料从外界吸收能量，并将吸收的能量转移给稀土离子，促使电子受到激发，从基态（稳定态）跃迁到激发态（非稳定态），然后发射出光子，从激发态回到基态，其发光过程是一个物理变化过程。

稀土离子丰富的能级及特殊的电子层结构，使得稀土成为巨大的宝库，从中可以研究出许多新型的发光材料[8]

发光材料一般有三种形态：

粉末、单晶以及薄膜。

粉末无机材料是最早研究应用的一类，日常生活中的日光灯、电视的显像管等都会用到荧光粉末。

单晶主要应用在半导体激光管和射线探测器件中。

薄膜的制备方法繁琐要求较高，技术上还有待突破。

发光材料的发光类型多种多样，主要有：

电致发光、光致发光、热释发光、光释发光、阴极射线发光、辐射发光等[9]。

1.3.2发光材料的特性

（1）发射光谱

发射光谱是发光材料的最基本特征之一，是指在某一特定激，发波长的激发下，得到的发光强度和波长的关系。

发射波长一般是由一系列连续峰状曲线，锐峰发射带，或者是两者的混合波谱组成的。

发射光谱中的波峰形状和其发光机理有密切的关系