Ca2Y8Si6O26Dy3+-白色荧光材料的制备和光学性能研究

由天下分享时间：2025/2/25 6:06:53 加入收藏我要投稿点赞

Ca2Y8Si6O26:Dy3+ 白色荧光材料的制备和光学性能研究

采用高温固相法合成了Dy3+掺杂的系列Ca2Y8Si6O26:Dy3+荧光材料，并通过XRD、荧光光谱、衰减时间曲线以及热淬灭对其结构、发光特性和热稳定性进行表征。在348 nm激发下，呈现480 nm，572 nm，665 nm的尖峰发射，归属于Dy3+的特征发射。系列样品的荧光光谱强度和衰减强度表明，样品的最佳浓度为2%。热淬灭研究显示，样品热稳定性良好，典型样品在250 ℃时的发射强度为初始强度的45%。此外色坐标分析表明，系列样品的色坐标都靠近白光区，色坐标普遍分布在( x=0.42, y=0.43) 附近。因此Ca2Y8Si6O26:Dy3+有可能作为一种

有潜在应用价值的UV-LED用单一基质白色荧光材料。

1.1 LED用荧光材料

1.1.1 白光LED概述

白光LED (1ight emitting diode) 被称为新一代的照明光源，以其省电、体积小、发热量低、可低压或低电流启动、寿命长、响应快、抗震耐冲、可回收、无污染、可平面封装、易开发成轻薄短小产品等优点得到了更为迅猛的发展,曾有人预言，亮度大、效率高的LED不久将使固体照明成为高技术领域和日常生活中的一部分，成为新一代的照明光源。

1.1.2 白色LED的实现方式

作为其核心元件半导体芯片的发光机理决定了单一LED芯片不能够发出连续的白光，必须通过其他方式合成白光。实现LED白光发射的方法有许多种，表1.1给出实现白光发射的几种方式：

表1.1 白光LED的几种发光方式

方式单芯片

激发源蓝色LED

发光材料 InGaN/YAG

发光机理

用蓝色光源激发YAG荧光粉发射黄色光，组合为二基色白光LED，光效20 lm/W，应用比较广泛。

在蓝色光下用红、绿、蓝三种荧光粉组合为三基色白光LED。

从薄膜发出蓝色光使基板被激发出黄光复合成白光。

用InGaN LED发射的紫外光激发三基色荧光粉发出白光。

利用互补的关系将双色LED封装在一起

蓝色LED 蓝色LED 紫外LED

InGaN/荧光材料

—— InGaN/荧光材料 InGaN/GaP

双芯片

青LED、黄绿

三芯片

LED 蓝LED、绿LED、红LED

InGaN /AlInGaP

将蓝、绿、红三色LED封装在一起，可发全彩色光。

1.1.3 荧光粉转化LED

多芯片实现白光LED发射，成本较高，因此，利用荧光粉转换来实现白光发射是实现白光LED的主要途径之一。白光LED的光转换效率、流明效率、光通、相关色温、色坐标值及显色指数等重要特性和参数都是由荧光粉来决定的。也因此，荧光粉的性能优劣成为制约白光LED发展的关键问题，所以研制白光LED用稳定高效荧光粉具有十分重要的意义。用于白光LED的荧光粉有着特殊的要求，详述为：(1)能够产生高效的可见光发射，光能转换率高，发射谱的半高宽应尽量窄；(2)激发光谱应与LED芯片的蓝光或紫外光发射光谱相匹配；(3)备优良的温度猝灭特性；(4)具有稳定的物理化学性质；(5)荧光粉能耐紫外光子长期轰击，性能稳定；(6)荧光粉的颗粒应适中、分散性良好。[1]

荧光粉转化LED(pc-LED)的实现方式分为两种：一种是蓝色芯片与黄色荧光粉YAG:Ce3+的组合；另一种是紫外芯片与三基色荧光粉的组合。因此荧光粉性能的好坏直接影响白光LED的发展。目前的白光LED用荧光粉存在两个主要问题，一是蓝光LED用黄粉缺少红色组分，复合白光显色性差；二是紫色LED用三基色粉发光效率低，复合白光亮度低。

蓝光LED用黄粉缺少红色组分，复合白光显色性差，这一问题可详述为：在蓝光LED的周围充混有黄光萤光粉，并使用蓝光LED，发出光线激发黄光萤光粉产生黄色光，但同时也与原本的蓝光混合，进而形成蓝黄混合之二波长的白光。这种方式因方法简单且成本低廉，所以现在多以此种方式进行封装，但是此种LED会有色温偏高与不均匀及红色光谱较弱，造成显色性较差。

因此改善现有主流荧光粉性能或开发新型荧光粉是一项有意义的工作。 1.1.4 单一基质白色荧光材料

单一基质白色荧光粉是指在单一基质中掺杂一种或者多种稀土离子，从而实现白光发射的荧光粉。该方式实现白光发射，有效改善了在这种多荧光粉使用过程中，伴随着不同荧光粉衰减率的不同导致的色偏移以及不同荧光粉之间的再吸收导致的流明转换导致的效率下降等问题。通常在单一基质中实现白光发射，以单激活离子Dy3+和Ce3+,Mn2+,Eu2+之间的能量传递为最佳途径。Dy3+作为一种常用的发光中心，其在可见光区呈现出两种主要发射，即4F9/2→6H15/2 (470 nm~500 nm)的蓝光发射和4F9/2→6H13/2 (570 nm~600 nm)的黄光发射，最终复合成白光，这一特性使其在无汞荧光灯，WLED等应用方面引起了人们的普遍关注 [2,3]。

1.2 硅酸盐荧光材料概述

目前，硫化物、铝酸盐、硅酸盐、氮/氮氧化物等是被广泛研究的几类基质，其中硫化物、铝酸盐在空气中化学稳定性差，容易被气化、水解，氮/氮氧化物虽然有优异的光谱和物理化学性能，但价格昂贵、制备条件苛刻。对于硅酸盐荧光粉其优势可以总结为：易于制备；吸收范围大；对紫外、近紫外、蓝光具有显著吸收能力；发射效率高，输出量子效率高于90%；化学稳定性强，抗氧化、抗潮、与封装树脂不作用；发射宽普覆盖范围宽，从绿色到橙色都有良好的发射效果；可有效是提升芯片的光效、增加产品一致性、降低生产成本、提高显色指数等。[4-8] 在LED、PDP、长余辉等应用方面已经开发出大量性能优异的硅酸盐荧光材料。典型材料例如：ZnSiO4:Mn2+ [9]、Sr2SiO4:Eu2+ [10]、Mg2Al4Si5O18:Dy3+ [11]、Ca2SiO3Cl2:Eu2+,Mn2+

[12]

等。Ca2Y8Si6O26是六角晶系的化合物，其空间群为

P63/m (no. 176).[13] Ca2Y8Si6O26掺杂稀土离子报道较少，本研究选择硅酸盐Ca2Y8Si6O26作为单一基质。

1.3 本论文的研究目的与研究内容

1.3.1 本论文研究目的

2014年度诺贝尔物理学奖授予日本名城大学教授赤崎勇（85岁）、名古屋大学教授天野浩（54岁）以及美国加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校美籍日裔教授中村修二（60岁），以表彰他们在蓝光LED方向所做出的卓越贡献。正如时代所需求，节能与环保是二十一世纪新技术、新材料开发的主题，同时白光LED以其诸多优点得到了更为迅猛的发展。作为其核心元件半导体芯片的发光机理决定了单一LED芯片不可能发出连续的白光，必须以其他的方式合成白光。目前白光LED的主流为荧光粉转化LED（Pc-LED），然而在这种多荧光粉使用过程中，伴随着不同荧光粉衰减率的不同导致的色偏移以及不同荧光粉之间的再吸收导致的流明转换导致的效率下降。在众多的解决方法中，开发单一基质白光荧光粉是一种比较有效的途径。

1.3.2 本论文研究内容本

研

究

采

用

高

温

固

相

法

，

制