利用非等价取代调控优化荧光材料的发光性能

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近年来,随着不可再生能源的不断消耗,能源危机已经成为举世瞩目的焦点。白光LED照明技术以其效率高、寿命长的特点逐渐成为照明显示领域的主流,为缓解能源危机做出了重要的贡献。因此,用于白光LED的荧光粉也越来越成为科研工作者研究的热点,包括传统的硅酸盐、铝酸盐荧光粉。本论文主要研究了 KMg4(P043:Ce3+,Tb3+和 Ca<sup>2+xLa8-x(Si04602-x:Eu2+两种绿色荧光粉的晶体结构和发光性能,并考察了其在白光LED领域的应用价值。重点是非等价取代对荧光粉发光性能的影响。本论文分为四章:第一章为绪论,介绍了人类照明发展的历史、白光LED技术、荧光粉的发光机理以及常用荧光粉。根据上述原理提出了本论文的实验思路。第二章介绍了 KMg4(P04)3:Ce3+,Tb3+荧光粉的制备和能量传递机理。同时,作为一个非等价取代的例子,本章深入地导论了 Ce3+、Tb3+在KMg4(PO43晶格中的占据位。通过对KMg4(PO43的晶体结构进行细致深入的分析,又结合XRD和EPR的测试结果,证明了 Ce3+、Tb3+均取代K+的位置,同时为了平衡非等价取代时多余的正电荷,会有O2-进入到KMg4(P04)3晶格的管道中。实验还发现Ce3+可以很大程度上提高Tb3+的发光强度。激发光谱、发射光谱以及荧光寿命曲线都证明了 Ce3+和Tb3+之间能量传递的存在。计算结果显示在该荧光粉中能量传递的效率高达95%以上。通过理论分析,发现能量传递的机理是偶极-四极相互作用。第三章介绍了 Ca<sup>2+xLa8-x(Si046O2-0.5x:yEu2+荧光粉的相关研究成果,包括合成方法、晶体结构、发光性质及其晶格中Eu3+离子的还原机理。我们通过增加晶体中Ca<sup>2+离子的比例、减少La3+离子的比例,成功使Eu3+还原为Eu2+,从而大大增强荧光粉的绿光发射,峰值位于510nm。我们认为由于Ca<sup>2+取代La3+是不等价取代,使晶格中的O2-离子数减少,从而降低Eu3+被还原的难度。XANES测试结果表明随着x值增大,荧光粉中Eu2+离子的数目确实增多了。Rietveld精修结果显示所得Ca<sup>2+xLa8-x(Si046O2-0.5x(x=0、1、2)晶体均属于六方晶系,空间群为P6/3m(176),且随着x值增大,晶体中氧离子的量减少。EPR数据也证明了 Ca<sup>2+离子取代La3+离子后,晶体中氧空位增多。这些结果都证明了我们提出的Eu3+的还原机理。另外,我们还以Ca6La4(SiO46:0.04Eu2+作为绿粉,配合365nm近紫外LED芯片和商用的蓝粉、红粉,成功地制得了显色性良好的白光LED灯,这表明Ca6La4(SiO46:0.04Eu2+绿色荧光粉具有商用于白光LED领域的应用潜力。第四章对论文做出了总结,指出了研究工作中不足的地方,为进一步的研究提出了一些可行的意见。
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