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白光LED具有寿命长、高效节能、绿色环保等优点,被认为是21世纪最有价值的新型照明光源。蓝光LED芯片+YAG:Ce3+荧光粉因结构简单和发光效率高等优点而成为目前实现白光LED的主流方式。YAG:Ce3+荧光粉作为白光LED的关键构成部分之一,其发光性能和使用性能的好坏直接影响着白光LED的品质。在实际应用中,随着LED发光中心p-n结温度升高,荧光粉发生温度猝灭,发光强度明显减弱,严重影响白光LED的光效、光色参数和可靠性。荧光粉的温度猝灭成为目前制约白光LED发展的一个突出问题。针对这一问题,本文在设计和搭建一套变温光学性能测试系统的基础上,考察了无掺杂YAG:Ce3+荧光粉发光性能随温度变化的一般规律,并系统研究了Ce含量、助熔剂、后处理工艺和基质掺杂对YAG:Ce3+温度猝灭性质的影响。
根据现有条件设计和搭建了变温光学测试系统,并对其可靠性和可重复性进行了验证。搭建的测试系统满足精确测温控温以及准确采集发光信号的要求,可用来表征荧光粉发光性能的温度依赖特性。
研究了无掺杂YAG:Ce3+温度猝灭的一般规律以及各种后处理方式和助熔剂对温度猝灭性能的影响。结果表明,随着温度的升高,Y2.93Al5O12:Ce0.07的发射光谱红移并且发光强度下降;相对亮度随着温度的升高逐渐下降,在150℃时下降为室温的89%。温度猝灭过程的激活能△E为0.319eV。Ce含量的增加使得常温光谱逐渐红移,相对亮度先升高后降低,但对YAG:Ce3+荧光粉温度猝灭性能的影响较小。助熔剂和退火等实验表明引起发光猝灭的主导因素不是Ce3+的氧化和晶格缺陷。
重点研究了掺杂对YAG:Ce3+荧光粉温度猝灭性质的影响。对于Y位基质掺杂,Gd3+元素的掺杂引起了发射光谱红移,但是发光强度却降低,同时温度猝灭性质严重劣化;Lu3+掺杂使得发射光谱蓝移,发光强度不降低,温度猝灭性质显著改善。La3+掺杂的发射光谱峰位没有发生移动,但是光谱强度和相对亮却有所降低,在La3+含量为0.01~0.1时,荧光粉具有较好的热稳定性。Pr3+、Nd3+、Tb3+、Tm3+、Yb3+对Y位的共激活掺杂对荧光粉热猝灭性能没有改善作用,但是对荧光粉的常温发光性能有很大的影响。
Al位的Sc3+、Cr3+、B3+、Ga3+基质掺杂对YAG:Ce3+荧光粉的常温光谱和相对亮度影响各异。特别的是,Cr3+掺杂使得YAG:Ce3+的540nm发射峰消失,而出现了较强的703nm发射峰。Sc3+和Cl3+掺杂使得YAG:Ce3+热稳定性变差,并且随着掺杂量的增加,温度猝灭加剧,Ga3+和B3+掺杂对YAG:Ce3+的热稳定性影响很小。
针对性研究了La3+和LL13+掺杂对长波发射YAG:Ce3+荧光粉(Gd部分取代Y)温度猝灭性能的影响,La3+和Lu3+引入不会引起(Y,Gd)AG:Ce3+荧光粉发射光谱的移动,同时对其温度猝灭特性起到了良好的改善作用。