基本信息
- 项目名称：
- 白光LED用新型红色稀土多硅酸盐荧光粉的制备及性质研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本项目选定性质稳定的硅酸盐材料为基质，采用凝胶燃烧法合成了三大系列新型红色稀土多硅酸盐荧光粉，对材料组成、结构、激活剂、电荷补偿剂、辅助激活剂等与其材料发光性质的内在关系进行了较为系统的研究。对于丰富固体发光理论、研究和开发白光LED用新型高效红色稀土硅酸盐荧光粉具有重要的意义。
- 详细介绍：
- 白光LED以体积小、环保、寿命长、反应速度快等优点引起了人们的极大关注，被誉为第四代照明光源，应用前景十分广阔。而利用近紫外-紫光（NUV，350-410nm）LED芯片发出的近紫外光激发三基色荧光粉产生白光已经成为实现白光LED的主流技术方案。因而，研究开发高亮度的、性质稳定的可被NUV激发的白光LED用新型红色发光材料有重要的理论及实际意义。本项目选定性质稳定的硅酸盐材料为基质，利用凝胶-燃烧法率先合成了SrMgSi2O6∶Eu3+，Sr2MgSi2O7∶Eu3+，Sr3MgSi2O8∶Eu3+三大系列可被NUV激发的红色稀土多硅酸盐荧光粉, 并对材料的组成、结构、激活剂、电荷补偿剂、辅助激活剂等与其材料发光性质的内在关系进行了较为系统的研究。研究结果表明： 1.该方法具有离子分散均匀，合成温度低，热处理时间短，样品结晶度高等优点。 2.系列新型红色稀土多硅酸盐荧光粉的激发光谱均由位于200nm-350nm 的Eu-O电荷迁移带以及主峰位于400 nm左右的系列锐谱线两部分组成，分布范围宽，可以用作紫外、近紫外、紫光LED光转换材料，应用前景广阔。 3.在Sr1-x MgSi2O6∶Eu3+x、Sr2-xMgSi2O7: Eu3+x系列样品中，未发现明显的浓度猝灭，且材料发光强度较大；在Sr3-xMgSi2O8:Eu3+x系列样品中，当Eu3+摩尔浓度达到8%时，出现浓度猝灭现象。 4.共掺适量电荷补偿剂Li+、Na+、K+，或敏化剂 Gd3+或Ti4+均能有效提高样品的红光发射强度。 硅酸盐系红色稀土荧光粉的化学性质与现有的红色荧光粉硫化物、铝酸盐体系相比，具有稳定，耐水性好，环境友好的优点，而且Si源丰富，价廉易得，同时烧结温度比铝酸盐体系低100℃以上，且工艺流程简单条件温和，因而是极有前途的一类红色发光材料。
作品图片
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 白光LED以体积小、环保、寿命长、反应速度快等优点，被誉为第四代照明光源。而目前实现白光LED的主流技术方案是利用近紫外-紫光（350-410nm）LED芯片发出的近紫外光激发三基色荧光粉产生白光。现有的红色荧光粉主要有硫化物、氮化物等，但是硫化物化学稳定性差，易分解；氮化物合成条件苛刻，方法复杂。而本项目旨在研究开发高亮度的、性质稳定的白光LED用新型红色发光材料。
科学性、先进性及独特之处
- 凝胶-燃烧法具有组分均匀，合成温度低，样品结晶度高等优点。系列红色稀土多硅酸盐荧光粉的激发光谱分布范围宽，可用作紫外、近紫外LED光转换材料，应用前景广阔。在Eu3+掺杂SrMgSi2O6、Sr2MgSi2O7样品中，未发现浓度猝灭；在Sr3MgSi2O8:Eu3+中，Eu3+浓度为8%时，出现浓度猝灭。共掺适量电荷补偿剂Li+、Na+、K+或敏化剂Gd3+或Ti4+能有效提高样品发光亮度。
应用价值和现实意义
- 硅酸盐体系红色稀土荧光粉的化学性质与现有硫化物、铝酸盐体系荧光粉相比，具有稳定、耐水性好、环境友好的优点，而且Si源丰富，价廉易得，同时工艺流程简单，反应条件温和，是极有前途的一类红色发光材料。加之，其最强锐线峰位于400nm左右，可以被近紫外辐射有效激发，有望成为与InGaN管芯匹配的白光LED用高效红色荧光粉，在城市景观照明、大屏幕显示、交通信号灯等诸多领域有着广泛的应用前景。
学术论文摘要
- 本文采用凝胶-燃烧法合成了Eu3+掺杂SrMgSi2O6、Sr2MgSi2O7、Sr3MgSi2O8三大系列红色稀土多硅酸盐荧光粉，用Ｘ射线衍射、荧光分光光度计等对合成产物进行了分析和表征。结果表明：SrMgSi2O6:Eu3+，Sr2MgSi2O7:Eu3+为四方晶系结构，Sr3MgSi2O8:Eu3+为正交晶系结构。此三个系列样品的激发光谱均在220～350nm之间出现O-Eu的电荷迁移带；350nm以后的锐线峰为Eu3+的f-f跃迁吸收峰，最强峰位于400nm，因而，可以被近紫外辐射有效激发。发射光谱由两个强发射峰组成，位于592nm和618nm处，分别属于Eu3+的5D0→7F1和5D0→7F2跃迁。在Sr1-xMgSi2O6:Eu3+x、Sr2-xMgSi2O7:Eu3+x系列样品中，未发现浓度猝灭，且材料发光强度较大；在Sr3-xMgSi2O8:Eu3+x系列样品中，当Eu3+浓度为8%时，出现浓度猝灭现象。此外，发现共掺Gd3+或Ti4+均能可有效提高样品的红光发射。因此，此三大系列红色稀土多硅酸盐荧光粉有望成为与InGaN管芯匹配的白光LED用高效红色荧光粉。
获奖情况
- 部分研究成果已投《Journal of Rare Earth》
鉴定结果
- 通过在百度网站搜索（凝胶-燃烧法合成SrMgSi2O6:Eu3+，Sr2MgSi2O7:Eu3+ ，Sr3MgSi2O8:Eu3+），未发现与本课题研究内容完全相同的专利、论文或报告。
参考文献
- [1] 徐时清. 固体照明光源—白光LED的研究进展. 中国计量学院学报, 2006, 17(3): 188-191. [2] Heesun Yang, et al. Spectral variations of nano-sized Y3Al5O12: Ce phosphors via codoping/substitution and their white LED characteristics. Mater. Chem. Phys., 2009, 114(2-3): 665-669. [3] Sivakumar V, et al. An Orange-Red Phosphor under Near-UV Excitation for White Light Emitting Diodes. J Electrochem Soc, 2007, 154(1): J28-J31. Jia Dongdong, et al. Long persistent alkali-earth silicate phosphors doped with Eu2+, Nd3+. J Appl Phys, 2007, 101, 023520: 1-6. [4] X.X.Wang, et al. Characterization and properties of a red and orange Y2O2S-based long afterglow phosphor. Mater. Chem.Phys. 2003,80: 1-5. [5] A.A. Sabbagh,et al. Effects of dopant concentrations on phosphorescence properties of Eu/Dy-doped Sr3MgSi2O8. J. Lumin., 2005, 114: 131-136. [6] Yamada K, et al. Ca(Eu1-xLax)4Si3O13 Red Phosphor and its Application to Tri-Chromatic White LEDs. J Light &Vis. Env., 2004, 28(2): 73-80.
同类课题研究水平概述
- 白光LED拥有高效节能、绿色环保等众多优点，被誉为第四代照明光源，应用前景广泛。目前获取白光LED的主流技术为利用近紫外-紫光（350-410nm）LED芯片发出的近紫外光激发三基色荧光粉产生白光。由于人眼对350~410 nm波段的光不敏感，这种体系发出的白光只由荧光粉的颜色决定，因而可以减少白光点的漂移。目前红色荧光粉主要有硫化物、氮化物等，但是硫化物发光材料，化学稳定性差；氮化物类发光材料合成条件苛刻，方法复杂，因此限制了其应用。因而，研究开发高亮度的、性质稳定的白光LED用新型红色发光材料有重要的理论及实际意义。 硅酸盐基质发光材料具有良好的化学稳定性和热稳定性，且其合成工艺流程简单，反应条件温和，因而，近年来成为发光材料研究的热点。从研究近紫外LED用荧光粉的角度，近期人们对M2SiO4体系十分重视。Park等报道了Sr2SiO4:Eu2+可被400nm有效激发，并发射550nm的黄光，可与400nm的近紫外光LED芯片组装得白光；在Sr2SiO4:Eu2+中掺入适量Ba、Mg可增强其蓝光激发的强度；Lim等报道了Ba2SiO4:Eu2+可被410nm的LED有效激发，并发射510nm的绿光；Yoo等通过改变M(M=Ca,Ba,Mg)与Sr的比例可以使荧光粉(Sr,M)2SiO4:Eu2+的激发光谱从紫外300nm移到460nm，而发射光从蓝光到黄光。Kim等报道了M2SiO4:Eu2+ (M=Ca,Ba,Mg)不同温度下的发射光谱，并提出此荧光粉为可被紫外LED激发的绿粉。此外，近年来又开展了对R3MgSi2O8 (R =Ba , Sr , Ca) 为基的荧光粉的研究。Kin J S报道了适于近紫外光激发的Ba3MgSi2O8 :Eu2+、Sr 3MgSi2O8 :Eu2+和Sr 3MgSi2O8 :Eu2+,Mn2+单一相白色荧光粉。我国研究人员研制了Sr 2MgSiO5 :Eu2+单一相白色荧光粉。对于其它硅酸盐体系紫光和近紫外LED激发的荧光粉报道还很少，尤其是对硅酸盐红色荧光粉的研究较少。 本文采用凝胶-燃烧法成功合成了SrMgSi2O6∶Eu3+，Sr2MgSi2O7∶Eu3+，Sr3MgSi2O8∶Eu3+三大系列红色稀土多硅酸盐荧光粉，为研究和开发白光LED用新型高效红色稀土硅酸盐荧光粉提供理论及实验指导。
