离子掺杂YAG:Ce荧光粉的制备及特性研究
白光LED诞生于1996年，是一种具有节能环保、使用寿命长、耗能少、多色发光等的优点的新型照明器材。白光LED 的制作方法通常是使用高效
InGaN/GaN 基蓝色
LEDs
发出蓝光来激发YAG:Ce3+稀土荧光粉, YAG被激发会发出黄光，黄光与蓝光混合形成白光。所以发光性能优良的YAG:Ce3+粉的制备就是该技术的关键之一。为了提升荧光粉的发光强度采用两步还原法制备YAG:Ce3+，结果表明两步还原法比一步还原法制成的样品具有更好的发光强度；尝试掺杂三价稀土离子改善YAG:Ce3+荧光粉的发射波长以期实现发射光谱的红移，在还原气氛下制备掺杂了Gd3+和La3+的YAG：Ce3+荧光粉，研究不同掺杂量对YAG：Ce3+荧光粉发光性能的影响，结果表明随着Gd3+掺杂量的增加，发射波长发生红移，但相对光强有明显的下降趋势，而La3+掺杂的YAG:Ce3+在La3+在掺杂浓度仅为0.1时便出现了杂相。
关键词：白光LED，YAG:Ce3+，两步还原法，共掺杂。
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第一章 绪论
由于科技的进步以及能源紧缺的现状，白炽灯、日光灯等传统的照明手段由于其落后的工艺手段，较低的发光效率及能量消耗高等原因难以突破瓶颈跟随新时代市场化的潮流。然而新一代照明器件LED灯凭借其极低的能耗，极高的发光效率，较长的寿命等优点很快就成为了研究领域和产业市场热捧的对象。在各种需要照明的领域内LED已经成为了新的宠儿，如LED显示屏与各种仪表仪器上都可以见到，其中的白光LED也是我们日常生活中常见的光源。最近几年，随着研究发展的新突破，LED产品已经开始从实验室走向市场，从概念产品走向商业量产。如若能够大程度地降低其生产成本，提高其生产效率，LED定能向世人展现出它卓越的性能和无穷的魅力，相信那一天也必将悄然到来。
1.1白光LED
1.1.1白光LED发展历史
LED即发光二极管，其主要是由由含镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成。其发光机制是PN结中的电子与空穴复合，在复合时会产生荧光，因而可以用来制成发光二极管。早期的发光二极管（LED）只能发出低光度的红光，之后发展出其它类型，白光LED是其中重要的一种。
最早在20世纪早期电致发光现象由Henry Joseph Round在一块碳化硅里发现，但是由于其无法进行实际应用所以并没有引起太多人的研究兴趣也无人对其进行继续的研究。
第一个具有现代LED雏形的LED节能灯是上世纪五十到六十年代英国科学家使用半导体砷化镓制作而成。虽然第一个商用LED仅仅能发出不可见的微弱红光但是也在光电与感应领域得到了广泛的使用。
到了60年代末，第一个可见红光LED由于在砷化镓基体上使用磷化物而诞生。这样制成的LED能够发出的更亮的红光也更加高效，其甚至产生出橙色的光。但是此时的LED都不能产生一种重要的原色——蓝光。
90年代LED技术取得了高速发展，能够发出蓝光的LED在1993年由日本的著名LED企业日亚化学的中村修二发明。在此之后的1996年日亚公司发明出了白光LED，而LED从此也进入了普通照明领域。
白光LED的制作方法通常是用高效InGaN/GaN基蓝色LEDs发出蓝光激发YAG:Ce稀土荧光粉，YAG被激发而发出黄光与剩余蓝光混合形成白光。20世纪
60年钇铝石榴石(Yttrium aluminum garnet，Y3A15O12 ，YAG)晶体被Geusic等人发现，而由于其特殊的激光光学性质引起了许多科学家们的广泛兴趣。
1975年左右，研究人员在YAG晶体中掺杂稀土激活剂铈离子(Ce3+ )，结果显示原本白色的粉体变成了黄色，并且在可见光的激发下发出了较强的黄色荧光 。
伴随着LED技术的发展，白光LED的出现，因为蓝光LED芯片能够有效激发YAG：Ce3+，而其发出的黄色荧光可以与LED芯片发出的蓝光互补，二者混合可以形成白光，所以YAG：Ce3+也得到了LED行业的重视，从而为半导体进入照明领域。
二十世纪末期日本日亚（Nichia）公司，利用蓝光LED激发黄光荧光粉的原理，成功开发了白光LED。制备YAG：Ce3+荧光粉的相关专利也被日本日亚（Nichia）公司掌握。2003年我国开始了半导体照明的国家级计划，正式开始重视半导体照明技术的发展。现在，半导体照明技术正在逐渐的影响着普通人的日常生活，白光LED也具有光明的前景。
1.1.2白光LED现状及应用
从上世纪90年代研发成功至今已有20余年的历史，白光LED的发展还在继续，随着近些年白光LED生产成本的下降以及世界能源的匮乏白光LED逐渐走入了人们的生活中，其具有比白炽灯更强的发光效率，更加节能，LED的光效可发到50-200流明/瓦，而且发光的单色性好，光谱窄，无需过滤，可直接发出有色可见光。LED单管功率比较低，只有0.03-0.06瓦，主要采用直流驱动的方式，其单管驱动电压在1.5-3.5伏之间，其驱动电流仅有15-18毫安，所以LED反映速度极快，也可进行高频操作，用在同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯的万分之一，荧光管的二分之一。其优点远远超过传统照明灯具。
LED发展至今，已向着技术专业化、品牌策略化、生产机械化发展。根据调研报告获得，2013年封装LED营收为144亿美元，预计2024年该市场将达到259亿美元。而通用照明市场增长将更迅猛。LED将是新的光源，2013年仅该市场的营收就达到48亿美元，而且预计2024年将达到122亿美元。许多世界著名的LED生产厂家也有了巨大的发展：如日本的日亚化学、美国的CREE、德国的OSRAM、Agileng Technologies等也加紧了对LED技术的研发。
而在国内，据统计，目前国内以LED产业链为主营业务的上市公司有20家左右，设计LED的上市公司则达到70家左右。目前，全国已有100-200家LED企业完成股份制改革，准备上市，前瞻预计这一批至少有10家可以上市。未来LED照明市场将迎来爆发期。与此同时各种白光LED产品也已经层出不穷地出现在我们的视线中：
图1.1 T8LED灯
管
图1.2 LED背光显示屏
图1.3亚马逊LED强光手电筒 图1.4外星人LED车灯
上列展示的白光LED产品中图1.1为采用CREE与AOD的LED芯片作为光源，外壳为亚克力/铝合金的T8LED灯管；图1.2为三星首款白光LED背光液晶XL2370；图1.3为亚马逊A32型强光LED手电筒，室友CREE Q5LED灯芯；图1.4为外星人TH-LEDD04型号电动车灯，使用美国科瑞CREE顶级LED芯片。
1.1.3白光LED的发光原理
LED是发光二极管的简称，属于半导体二极管中的一种。期间中有PN结可以单项导通，当有正向电压通过时，电子会从N区向P区移动空穴则是从P区向N区移动，二者在PN结附近复合，放出能量，产生荧光。
其中涉及到的基础理论有分子轨道理论、能带理论等。 (1)分子轨道理论
分子轨道是用于描述分子中单个电子运动状态的波函数，可以表示为原子轨道的线性组合。而我们一般称能量最高的占有电子的π键成键轨道的为最高占有分子轨道（Highest Occupied Molecular Orbits, 简称HOMO），最低的未占有电子的π， 键反键轨道为最低未占有分子轨道（Lowest Unoccupied Molecular Orbits, 简称 LUMO），电子从LUMO能级跃迁到HOMO能级会产生光子[1]。
(2)能带理论
能带理论就是认为在晶体中的电子不是局限于单个原子附近而是属于整个晶体的共有化的电子，并且共有化电子是在晶体周期性的势场中运动；结果得到：共有化电子的本征态波函数是Bloch函数形式，能量是由准连续能级构成的许多能带。
(3)基态及激发态
基态便是分子能量最低的状态，也就是说当一个分子中的所有电子的排布完全遵从构造原理时，此时的分子处于基态，也必定同时满足以下三个条件：
① 能量最低原理（电子在分子中排布时总是先占据那些能量较低的轨道）； ② Pauli不相容原理（电子排布时，每一个轨道最多能容纳两个电子）； ③ Hund规则（在每个轨道上运动的电子，自旋是相反的）。
(4)荧光是多重度相同的状态间发生辐射跃迁产生的光。而磷光则是多重度不同的状态间发生辐射跃迁所发出的光。通常观测到的磷光都是从第一激发三重态向基态跃迁时所释放的辐射。与荧光过程不同，磷光发射过程是自旋禁阻的过程，所以磷光量子产率通常较低。
1.1.4制造方式
白光LED的制造方式主要由以下几种：
第一种是使用RGB三原色混合出白光，此方式主要应用范围在全彩LED显示屏上，通过控制每个像素点里面的RGB LED灯来实现显示和播放。
第二种主要采用蓝色芯片与黄色荧光粉，由蓝光激发黄色荧光激发白光，使用高效InGaN/GaN 基蓝色LEDs 发出蓝光来激发YAG :Ce3+稀土荧光粉, YAG被激发会发出黄光，黄光与剩余蓝光混合形成白光，此方式是现在白光LED的主流生产方式。有很多优点，如成本低，制造简单，光效高，使用范围广等等，市场上所有的背光和照明市场所用的白色LED都是通过这种制造方式生产的。
第三种紫外光与RGB荧光粉，由紫外光激发三色荧光粉发白光。此方式也是一种很好的方法，主要优点是显色性高，能很好的反应物体的原色，但是转换效率不够高导致其暂时很难有较大的应用范围，后续还需进一步提高转换效率才能有很好的应用市场。
离子掺杂YAGCe3+荧光粉的制备及特性研究
