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白光LED作为21世纪的绿色光源,与传统的白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯等相比,有着高效节能、绿色环保、寿命超长、不易破损等一系列优点,因而在照明、汽车、交通、医疗、军事和农业等领域有着广泛的应用。目前的白光LED照明技术主要基于LED芯片与荧光粉组合的方案,即荧光粉转换型白光LED,其中蓝光LED芯片与YAG:Ce3+黄色荧光粉的组合方案由于封装工艺简单、技术成熟和成本低廉等优点而备受欢迎,但是由于其中缺少红光而存在色温偏高(CCT>4000K)和显色指数偏低(CRI<80)等不足,目前最受欢迎的解决方法就是在其中添加一种在蓝光区域有较强吸收的高效红色荧光粉,然而现有的红色荧光粉无法同时满足各项使用需求。寻求满足各项使用条件的新型红色荧光粉是发展白光LED的关键。针对这一现状,本论文提出了探索、制备和研究锰离子激活的高效发光、合成条件温和、对环境友好的新型氧化物基质红色发光材料,主要的研究内容和研究结果如下:(1)以化合物K2Ge4O9为例,首次提出使用基于电荷交换模型的晶场计算理论来预测Mn4+离子在晶体中的能级,理论计算结果表明K2Ge4O9:Mn4+的红色发光峰位于663nm,Mn4+离子4A2g(4F)→4T2g跃迁的蓝光吸收带位于450-470nm,比商业粉3.5MgO·0.5MgF2.GeO2:Mn4+更匹配于蓝光芯片。用高温固相反应法合成的K2Ge4O9:Mn4+具有Mn4+离子的特征发光,其光谱特性与理论预测的结果一致。理论和实验结果的比较表明Mn4+离子对两种不同的八面体锗格位(Gel和Ge2)的取代没有明显的优先偏向。(2)用高温固相反应法制备了新颖的(Rb,K)2Ge4O9:Mn4+固溶体红色荧光粉,并优化了合成条件以增强Mn4+的发光。Rb2Ge4O9:Mn4+的红光发射位于620-720nm的光谱范围,在220-520nm波长范围具有强烈的吸收,荧光寿命相对较短,只有几百微秒。用极化性较低的K+取代Rb+可以调节吸收截面积和吸收带结构,从而调控荧光粉的荧光寿命、激发带形状和荧光量子效率,同时局部取代有助于改善Mn4+离子的发光热猝灭性。(3)用高温固相反应法制备了 LiNaGe4O9:Mn4+高效红色荧光粉,在系统优化合成温度、Mn离子掺杂浓度和烧结时间后得到发光最优的样品,其在紫外光激发下的内量子效率可高达780%。晶体结构分析表明Mn4+离子的高效发光主要由于化合物晶体结构中可被Mn4+离子取代的GeO6八面体Ge格位被邻近的GeO4四面体很好地孤立而避免了Mn4+离子之间的相互扰动。将该红色荧光粉与蓝光LED芯片和YAG:Ce3+黄色荧光粉复合得到了色温为3353K的暖色调的白光LED器件。(4)针对Mn4+离子掺杂氧化物红色荧光粉发光热猝灭温度较低的问题,选取红色荧光粉SrAl12O19:Mn4+为研究对象,检验了其8-500K温度范围内的发光热猝灭特性,实验结果和有说服力的淬灭机理表明该荧光粉遭受了明显的热淬灭。通过与Mn4+离子掺杂的其它铝酸盐荧光粉对比,总结出了寻找新的具有有良好发光热稳定性的Mn4+离子掺杂红色荧光粉的一般规律。通过基于电荷交换模型的晶场计算理论确定了 SrAl12019晶体中三种Mn4+离子格位的能级,并结合共价键分析了 Mn4+离子在这三种格位中的优先占据情况。(5)用高温固相反应法制备了新颖的红色荧光粉Sr3Al10SiO20:Mn4+,其在蓝光区具有与紫外区强度相当的宽广而强烈的吸收,可同时被紫外光和蓝光有效激发。随着激发波长的增加,其发射峰从661nm红移到663nm,半峰宽从34nm减小为22nm,荧光寿命也随之降低。蓝光激发带的相对强度随着Mn4+离子浓度的增加先逐渐增强后稍有降低。这些不同寻常的发光现象可能是由于Si元素的存在影响了 Mn4+离子周围的局部晶场环境所导致的。此外,研究了 Sr3Al10SiO20:Mn4+的发光热稳定性和Mn4+离子在晶体中的能级。(6)在Mn4+离子掺杂玻璃陶瓷的初步探索过程中,发现一种新的Mn2+离子掺杂的发光波长范围覆盖600-800nm的红色到近红外超长余辉发光的锗酸盐玻璃。八面体Mn2+离子的余辉发光源于电子填充了深度为0.71eV,0.80eV和1.06eV的陷阱,并在室温环境中在热的作用下被缓慢释放,该过程超过40小时。通过结晶化处理,在玻璃中成功诱导析出了包含八面体钠格位的钠长石纳米晶Na(Al,Ga)Ge3O8,晶粒尺寸小于50nm,Mn2+离子的余辉依然存在,这是因为掺入的部分Mn2+离子从玻璃中进入了晶体中离子键更强的八面体钠格位,通过晶体中陷阱浓度和陷阱深度的控制,可使红色余辉延长到超过100小时,这是因为陷阱浓度增加、陷阱深度变浅。(7)将高效红色荧光粉Sr4Al14O25Mn4+,0.5%Mg与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)复合,制成了一种具有发光下转换、紫外线屏蔽和防水多重功效的多功能涂层,其可应用于氧化镍基平面倒立有机金属钙钛矿太阳能电池器件。将该涂层包覆在结构为NiO/CH3NH3PbI3/PCBM/BCP/Au的钙钛矿太阳能电池表面,其能量转换效率提高了10%,更重要的是实现了紫外防护和防水的功效,使得钙钛矿太阳能电池器件的长时期稳定性得到了提高。最后,对全文的主要工作内容进行了系统的总结,并对未来锰离子掺杂红色发光材料的研究、发展和应用做出了展望。