發(fā)布時(shí)間：2020-11-12 02:31

　　 隨著高亮度藍(lán)光InGaN LEDs的出現(xiàn),白光LEDs由于節(jié)能、環(huán)保、輕便等眾多優(yōu)點(diǎn)得到了迅速發(fā)展,并作為一種新型固態(tài)照明光源融入了人們的日常生活。于是,各種性能優(yōu)異的熒光粉隨LED芯片技術(shù)的成熟被不斷地研究開發(fā)利用。本論文針對多數(shù)三價(jià)稀土離子激活的發(fā)光材料因f-f躍遷所產(chǎn)生的特征尖峰線狀發(fā)射、發(fā)光效率不高和光譜吸收范圍窄等關(guān)鍵問題,選擇了基于d-f躍遷的Eu~(2+)和s-p躍遷的Bi~(3+)作為激活離子,探索了幾種使人眼舒適的具有寬帶發(fā)射特性的氧化物發(fā)光材料,研究了基質(zhì)結(jié)構(gòu)與發(fā)光性能之間的聯(lián)系。主要研究內(nèi)容如下:1.采用固相反應(yīng)法制備了一種新型的含鋯硅酸鹽發(fā)光材料K_2ZrSi_2O_7:Eu~(2+)。通過XRD Rietveld結(jié)構(gòu)精修和高分辨率透射電鏡數(shù)據(jù)確定了K_2ZrSi_2O_7:Eu~(2+)的晶體結(jié)構(gòu)。在(近)紫外光的激發(fā)下,K_2ZrSi_2O_7:Eu~(2+)發(fā)射出明亮的藍(lán)光,其光譜主峰為462 nm,半高寬為70 nm。該發(fā)光材料在低壓電子束的持續(xù)轟擊下具有出色的抗老化性和良好的色彩穩(wěn)定性。用Hf~(4+)逐漸取代體系中的Zr~(4+)可形成固溶體發(fā)光材料K_2Zr/HfSi_2O_7:Eu~(2+)。結(jié)果表明,發(fā)光材料K_2Zr/HfSi_2O_7:Eu~(2+)的熱穩(wěn)定性能隨Hf~(4+)取代量的增加會明顯改善。2.受上述固溶體發(fā)光材料的啟發(fā),合成了一種鉀鈣板鋯石結(jié)構(gòu)的雙鉀鉿三硅酸鹽發(fā)光材料K_2HfSi_3O_9:Eu~(2+)。通過XRD數(shù)據(jù)和密度泛函理論(DFT)計(jì)算分別確定了該體系的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)。穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光光譜和時(shí)間分辨光譜可說明K_2HfSi_3O_9:Eu~(2+)中存在兩種Eu~(2+)發(fā)光中心。基于晶體格位工程法,將基質(zhì)中的Hf~(4+)用Sc~(3+)替換可有效改善Eu~(2+)在藍(lán)光光譜區(qū)域的吸收,同時(shí)還可調(diào)控發(fā)射光譜的位置與形態(tài),并極大地改善樣品發(fā)光熱猝滅性能。隨著Sc~(3+)離子取代量的增加,該體系發(fā)射光譜可從462 nm移動到507 nm。在環(huán)境溫度高達(dá)200 ℃時(shí),樣品的發(fā)射損耗幾乎為零,優(yōu)于BAM:Eu~(2+)和Sr_3SiO_5:Eu~(2+)等商用熒光粉。熱釋光光譜和變溫衰減曲線說明體系中的缺陷能級對優(yōu)秀的發(fā)光熱猝滅性能有貢獻(xiàn)。3.選取Bi~(3+)作為激活劑,在高溫箱式爐中制備了一種黃光發(fā)光材料BaZrSi_3O_9:Bi~(3+),并詳細(xì)研究了其物相、發(fā)光及衰減特性。在(近)紫外激發(fā)下,BaZrSi_3O_9:Bi~(3+)發(fā)射出光譜半高寬為125 nm,主峰位于560 nm的黃光,其衰減時(shí)間約0.9微妙。BaZrSi_3O_9:Bi~(3+)在150℃下的發(fā)射強(qiáng)度是室溫下的76%。該體系發(fā)光光譜的寬度和熱猝滅性能均與商用YAG:Ce~(3+)相當(dāng),由于主峰波長更長,其發(fā)射光譜中紅色組分較多。隨溫度的升高,BaZrSi_3O_9:Bi~(3+)發(fā)射光譜藍(lán)移涉及到熱激活聲子輔助隧穿。4.選取硼酸鹽材料Ba_3ScB_3O_9為基質(zhì),以Eu~(2+)為激活離子,在一定壓力的高純度氮?dú)鈿夥障?采用固相反應(yīng)法制備了一種超寬帶近紅外發(fā)光材料并研究了其發(fā)光特性。通過晶體結(jié)構(gòu)分析和光譜表征等手段,探討了Eu~(2+)在晶格中的占位情況。Ba_3ScB_3O_9:Eu~(2+)可高效響應(yīng)紫外-藍(lán)光激發(fā)而產(chǎn)生可見-近紅外光,光譜覆蓋510-1100 nm范圍,主峰是735 nm,半峰寬為205 nm。通過結(jié)合電子云效應(yīng)和晶體場理論解釋了光譜的位置,帶寬和斯托克斯位移。用Sr~(2+)部分取代體系中Ba~(2+)可實(shí)現(xiàn)發(fā)射光譜藍(lán)移。通過在450 nm藍(lán)光LED芯片上涂覆該發(fā)光材料,可獲得VIS-NIR pc-LED器件。
【學(xué)位單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：O482.31;TN312.8
【部分圖文】：

蘭州大學(xué)博士學(xué)位論文幾種典型氧化物基寬帶發(fā)光材料的制備及性能調(diào)控21.1.1LED的發(fā)光原理圖1-1LED器件的結(jié)構(gòu)示意圖[5]LED(英文Light-EmittingDiodes的縮寫)是發(fā)光二極管的簡稱，它是一種能將電能轉(zhuǎn)換成光的電子器件。圖1-1為LED的基本結(jié)構(gòu)分布示意圖，總體主要由正負(fù)電極接線柱、環(huán)氧樹脂封裝外殼、反射杯、接引電線和半導(dǎo)體芯片組成。正負(fù)電極接線柱連接外電路，可使整個(gè)LED通電；環(huán)氧樹脂封裝外殼用來保護(hù)LED內(nèi)部結(jié)構(gòu)；反射杯用來減少LED的光散射，增強(qiáng)LED的發(fā)光；接引電線主要用于連接半導(dǎo)體芯片和正負(fù)極接線柱；半導(dǎo)體芯片是LED的核心部件，它主要由以空穴載流子（可視為帶正電的粒子）主導(dǎo)的p型半導(dǎo)體和以電子載流子（帶負(fù)電）主導(dǎo)的n型半導(dǎo)體兩部分組成，即PN結(jié)[8]。PN結(jié)主要由P區(qū)、N區(qū)和兩區(qū)之間的空間電荷區(qū)（也叫耗盡層）組成，而空間電荷區(qū)存在一定的內(nèi)電場使P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子無法進(jìn)一步擴(kuò)散。圖1-2給出了LED的發(fā)光工作原理圖。向LED施加正向偏壓時(shí)，處于P區(qū)的空穴載流子會在電壓的驅(qū)動下向N區(qū)移動，而處于N區(qū)的電子載流子會向P區(qū)移動。此時(shí)，帶正電的空穴和帶負(fù)電的電子在PN結(jié)附近相遇，兩者重組復(fù)合時(shí)會以光子和熱的形式釋放出能量。當(dāng)光子的能量處于可見光范圍內(nèi)時(shí)，就會被人眼感知從而分辨發(fā)光顏色。光子的能量高低卻決于制備芯片時(shí)所用到的化合物半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。禁帶越寬說明能量越大，發(fā)出的光波長越短，禁帶越窄說明能量越小，發(fā)出的光波長越長[9,10]。不同的化合物半導(dǎo)體材料對應(yīng)不同的發(fā)光波長，同一種半導(dǎo)體材料摻雜不同種類或濃度的雜質(zhì)時(shí)也可以發(fā)出不同顏色的光。目前，市面上用到的LED芯片主要由含鎵（Ga）、氮（N）、砷（As）、銦（In）、磷（p）等的化合物制成。LED具有與普通二極管相似的伏安

蘭州大學(xué)博士學(xué)位論文幾種典型氧化物基寬帶發(fā)光材料的制備及性能調(diào)控3外電場不足以克服PN結(jié)空間電荷區(qū)的內(nèi)電場，此時(shí)LED不導(dǎo)通不發(fā)光；當(dāng)施加的正向偏壓超過某一閾值時(shí)，內(nèi)電場被顯著削弱，LED導(dǎo)通。向LED施加反向偏壓時(shí)，LED處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)反向偏壓超過某一閾值時(shí)，LED被擊穿會燒毀[11]。圖1-2LED發(fā)光的工作原理圖[12]圖1-3LED的產(chǎn)生與發(fā)展概況[13]1906年英國電氣工程師亨利·約瑟夫·朗德（HenryJosephRound）在用一塊不純的多晶碳化硅制作“貓須整流器”時(shí)觀察到了微弱的光，這是從半導(dǎo)體中觀察到電致發(fā)光現(xiàn)象的最早記錄[14]。隨后人們就逐漸開始研究SiC和II-IV族化合物

蘭州大學(xué)博士學(xué)位論文幾種典型氧化物基寬帶發(fā)光材料的制備及性能調(diào)控3外電場不足以克服PN結(jié)空間電荷區(qū)的內(nèi)電場，此時(shí)LED不導(dǎo)通不發(fā)光；當(dāng)施加的正向偏壓超過某一閾值時(shí)，內(nèi)電場被顯著削弱，LED導(dǎo)通。向LED施加反向偏壓時(shí)，LED處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)反向偏壓超過某一閾值時(shí)，LED被擊穿會燒毀[11]。圖1-2LED發(fā)光的工作原理圖[12]圖1-3LED的產(chǎn)生與發(fā)展概況[13]1906年英國電氣工程師亨利·約瑟夫·朗德（HenryJosephRound）在用一塊不純的多晶碳化硅制作“貓須整流器”時(shí)觀察到了微弱的光，這是從半導(dǎo)體中觀察到電致發(fā)光現(xiàn)象的最早記錄[14]。隨后人們就逐漸開始研究SiC和II-IV族化合物
【參考文獻(xiàn)】

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1 李梅芳;;發(fā)光二極管簡介[J];企業(yè)技術(shù)開發(fā);2015年15期

2 張萬奎;張振;;照明發(fā)展進(jìn)程——古代照明[J];燈與照明;2013年01期

3 江源;;光源發(fā)展史(二)[J];燈與照明;2010年02期

4 魏國昭;關(guān)于照明的發(fā)展歷史[J];物理教學(xué)探討;2005年14期

5 許碧瓊，吳玉通;新型發(fā)光材料[J];華僑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1995年03期

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1 丁建炎;稀土摻雜的幾種氮化物長波長發(fā)光材料的制備及發(fā)光性能的研究[D];蘭州大學(xué);2019年

2 王希成;Eu~(2+)/Ce~(3+)摻雜的幾種典型近紫外白光LED用發(fā)光材料的制備及性能調(diào)控[D];蘭州大學(xué);2017年

本文編號：2880114