摘要：在20世纪末,日本的LED产业巨头开发出了运用高亮度GaN蓝色发光二极管(pght emitting diode,简称LED)为基础,涂覆荧光粉YAG:C(?)产生白光的照明器件。相比于白炽灯和荧光灯,固态LED光源具有很多优点,包括：安全性高(LED利用低压电源)、节能(消耗能量较同光效的白炽灯减少80%)、适用性很强(每个单元LED芯片可小至0.2mmm,也可大到正在进展的10cm以上)、寿命长(10万小时,光衰为初始的50%)、响应时间短(白炽灯的响应时间为毫秒级,LED灯的响应时间为纳秒级)、环保(无有害金属汞)等优点,由此,LED被称为第三代照明技术,在各个领域的运用越来越广泛,我国也出台了很多优惠政策加速LED产业的研发。在普通照明领域,获得类似于太阳光的白光照明是人们的关注焦点。目前实现白光LED的主要方式有：(1)全芯片结构,即用红绿蓝三基色的LED芯片组合在一起,形成一个发光矩阵；(2)单芯片结构。利用蓝光LED和可被蓝光激发的荧光粉或者红、绿荧光粉,这样形成了蓝光加黄光、蓝光加红绿光的白光产生形式。也可采取利用紫外LED和可被紫外LED激发的红绿蓝荧光粉,三基色组合成白光。多芯片发光不仅成本高,而且各个芯片的发光效率也很难相同,难以获得色温合适的日光器件。此外,多芯片集成的器件,热量的积聚会导致LED芯片的光衰,CIE色坐标和色温也会发生偏移。由此,现阶段主流是单芯片加荧光粉的白光实现方式。荧光粉在白光LED中起着举足轻重的作用,其发光效率、发光性质和稳定性直接决定着LED器件的性能。传统的荧光粉主要是铝酸盐、硅酸盐、硫化物等。近年来,相继发现了发光离子掺杂氧氮化物基质的新型荧光材料,例如红色荧光粉M2Si5N8:Eu2+(M=Ca, Sr,Ba)、MAlSiN3:Eu2+(M=Ca,Sr),绿色荧光粉MSi2O2N2:Eu2+(M=Ca, Sr, Ba)和AlON:Mn2+, Mg2+、荧光粉Ca-a-SiAlON:Eu2+,蓝色荧光粉AlN:Eu2+等。氧氮化物基质中,金属发光离子处在O/N离子组成的网络结构中,具有优异的化学和热稳定性,同时一般用于发光的稀土离子(Eu2+, Ce3+等)的5d能级裸露于离子外层,在晶格场的作用下会发生不同程度的分裂,N3-的电荷数高于O2-且N3-具有更强的共价性,以而富氮的晶体场环境能够引起较大的电子云重排效应(Nephelauxetic effect),导致发光离子(Eu2+, Ce3+等)的5d电子能级发生更大分裂,4f-5d跃迁能量向长波方向移动,荧光粉的激发和发射光谱发生红移,与蓝光LED匹配,产生黄光或红光。同时,可以调控基质晶格中的O/N比例,获得不同发射波长的荧光粉。由此氧氮化物荧光粉是白光LED用的理想荧光转换材料,本论文主要探讨了AlN基(AlN和AlON)荧光材料的结构和发光性质,探讨制备条件、晶体结构、发光性能的联系,并进行了论述计算,阐述稀土离子的发光机理。本论文分为八章,第一章绪论部分介绍了照明进展历史和部分荧光粉,着重介绍了AlN基荧光材料的结构和发光性质。第二章为实验部分,介绍原料、设备、表征策略。第三章报道了通过碳热还原法合成了纯AIN:Eu2+荧光粉。系统探讨了反应温度、保温时间、Eu2+掺杂浓度和C含量对AIN:Eu2+荧光粉晶体结构和发光性质的影响,结果表明在较低的1750℃下保温8小时是获得高纯、高发光强度荧光粉的最优条件；证明了Eu2+在单独掺杂AlN时,也可以固溶进AlN晶格,这是因为利用碳热还原法却可以获得低氧含量的AIN:Eu2+粉体,没有条件形成铝酸盐,由此可以获得纯AIN:Eu2+荧光粉；AIN:Eu2+荧光粉在紫外光激发下,发射出470nm左右的蓝光,来自于Eu2+的5d-4f跃迁,并可通过转变起始粉料中的C含量,使发射峰以蓝光波段调控至绿光波段；探讨了了不同种类的助溶剂对AIN:Eu2+荧光粉晶体结构和发光性质的影响,表明BaF2可以有效推动AlN的结晶和提升荧光粉的发光强度。第四章介绍了利用气相还原法,可以获得极低氧含量、无C残留的高纯AlN：Eu2+荧光粉,在紫外光激发下发出540nm左右的绿光,相比于碳热还原法制备的荧光粉发射波长出现了显著红移。这是因为N的电子云膨胀效应,导致Eu2+的5d能级产生更大的劈裂。通过EDS、HRTEM、ED、EXAFS测试结果,证实了Eu取代了AlN中的Al格位。由于Eu2+和Al3+两者的半径相差太大,所以Eu的固溶度非常低,而且不可避开地会有Eu3+的有着。论述计算的结果与实验符合的非常好,进一步证实了Eu取代A1N晶格中的Al这一结论,以(P) DOS谱上可以看出,Eu的5d、Eu的6p以及Al的4s和4p态都对荧光粉的发光都有贡献。此外,初步探讨了AlN:Mn2+荧光粉的结构、发光性质和Mn在AlN晶格中的格位。第五章介绍了固相反应法制备的AlON:Eu2+和AlON:Eu2+, Mg2+荧光粉的结构和发光性质,在紫外光激发下,AlON:Eu2+,Mg2+荧光粉发射出非常强烈的490nm左右的蓝绿光。在Eu单掺AlON时,Eu并不能掺入AlON晶格,在Eu, Mg共掺AlON时,Eu便可固溶进AlON晶格,这可能是因为Mg的掺杂导致AlON晶格扩大,利于Eu的掺入。第六章报道了碳热还原法制备AlON:Eu2+, Mg2+荧光粉,相较于固相反应法,利用碳热还原法,可以在低温下制备得到AlON:Eu2+, Mg2+荧光粉。此外,碳热还原法制备的荧光粉颗粒小、杂相少、Eu2+含量多并且更多的Eu2+固溶进AlON晶格,这些因素导致荧光粉的发光强度远远大于固相反应法制备的荧光粉,且高于在365nm激发下的商业粉BAM。荧光粉的发光波长可通过转变起始粉料中的C含量,以蓝光调控至绿光区域。第七章报道了利用高能球磨工艺首次制备纯相的AlON:Eu2+,Mg2+荧光粉。在高能球磨历程中,起始粉体不断非晶化以达到原子尺度上均匀混合,粉体的反应活性得到提升,在较低的反应温度下,即可得到纯AlON:Eu2+,Mg2+荧光粉。Eu2+的固溶度以碳热还原法中的0.2%扩大到0.5%,并且具有更好的发光强度。第八章对Al2O3-AlN系统中有着的的多形体进行了展望,并以Al7O3N5为例,结果证明了可以在高温下合成Al7O3N5:Eu2+荧光粉,在紫外光激发下,发出高强度的460nm的蓝光,并对全文进行了总结。关键词：AlN:Eu~(2+)论文AlON:Eu~(2+)论文Mg~(2+)论文助溶剂论文碳热还原法论文气相还原法论文高能球磨论文
摘要5-8
ABSTRACT8-16
第一章 绪论16-50
1.1 前言16-19
1.1.1 光的定义16
1.1.2 发光的机理16-19
1.2 照明进展历史19-25
1.2.1 白炽灯19-20
1.2.2 荧光灯20-22
1.2.3 LED照明22-25
1.3 稀土元素介绍及其光谱性质25-30
1.3.1 稀土元素的分类25-26
1.3.2 稀土离子的光谱性质26-30
1.4 荧光粉的介绍30-45
1.4.1 铝酸盐荧光粉30-32
1.4.2 硅酸盐荧光粉32-33
1.4.3 氮氧化物荧光粉33-45
1.5 荧光粉的合成策略45-48
1.5.1 高温固相反应法45
1.5.2 碳热还原氮化法45-46
1.5.3 气相还原法46-47
1.5.4 其他策略47-48
1.6 本论文的思路和工作48-50
第二章 实验部分50-52
2.1 试剂50
2.2 制备仪器50
2.3 性质表征50-52
第三章 碳热还原法合成AlN:Eu~(2+)荧光粉的探讨52-78
3.1 AlN:Eu~(2+)荧光粉的制备策略52-53
3.2 空气中热处理对AlN:Eu~(2+)荧光粉的影响53
3.3 焙烧温度对AlN:Eu~(2+)荧光粉的影响53-56
3.4 保温时间对AlN:Eu~(2+)荧光粉的影响56-58
3.5 Eu浓度对AlN:Eu~(2+)荧光粉的影响58-59
3.6 碳含量对AlN:Eu~(2+)荧光粉的影响59-63
3.7 Eu,Li共掺对AlN:Eu~(2+)荧光粉的影响63-65
3.8 助溶剂对AlN:Eu~(2+)荧光粉的影响65-76
3.8.1 制备策略67
3.8.2 不同助溶剂对AlN:Eu~(2+)荧光粉结构的影响67-68
3.8.3 不同助熔剂对AlN:Eu~(2+)荧光粉发光性质的影响68-69
3.8.4 不同助熔剂下的AlN:Eu~(2+)荧光粉的红外图谱69-70
3.8.5 不同助熔剂下的AlN:Eu~(2+)荧光粉的荧光寿命70-71
3.8.6 助熔剂含量对AlN:Eu~(2+)荧光粉的结构和发光性质影响71-75
3.8.7 反应机理探讨75-76
3.9 本章小结76-78
第四章 气相还原法合成AlN:Eu~(2+)荧光粉的探讨78-106
4.1 AlN:Eu荧光粉的制备策略79
4.2 AlN:Eu荧光粉结构的探讨79-81
4.3 AlN:Eu荧光粉成分的探讨81-82
4.4 AlN:Eu荧光粉的发光性质82-83
4.5 AlN:Eu荧光粉中Eu的价态探讨83-86
4.6 AlN:Eu荧光粉中Eu的格位探讨86-91
4.7 AlN:Eu荧光粉中的论述模拟91-96
4.7.1 密度泛函论述介绍92-93
4.7.2 论述计算结果93-96
4.8 其他发光离子掺杂AlN荧光粉的初步探讨96-104
4.8.1 AlN:Mn~(2+)荧光粉的制备策略98-99
4.8.2 AlN:Mn~(2+)荧光粉结构的探讨99-100
4.8.3 AlN:Mn~(2+)荧光粉的发光性质100-103
4.8.4 AlN:Mn~(2+)荧光粉中Mn~(2+)的格位探讨103-104
4.9 本章小节104-106
第五章 AlON:Eu~(2+),Mg~(2+)荧光粉的探讨106-116
5.1 AlON及AlON:Eu~(2+),Mg~(2+)粉体的制备策略108
5.2 AlON：Eu~(2+)荧光粉结构的探讨108-111
5.3 AlON:Eu~(2+),Mg~(2+)荧光粉的结构探讨111-112
5.4 AlON:Eu~(2+),Mg~(2+)荧光粉的发光性质112-114
5.5 本章小结114-116
第六章 碳热还原法合成AlON:Eu~(2+),Mg~(2+)荧光粉的探讨116-128
6.1 AlON:Eu~(2+),Mg~(2+)荧光粉的制备策略116-117
6.2 AlON:Eu~(2+),Mg~(2+)荧光粉的制备策略117-119
6.3 AlON:Eu~(2+),Mg~(2+)荧光粉成分的探讨119
6.4 AlON:Eu~(2+),Mg~(2+)荧光粉的发光性质119-122
6.5 AlON:Eu~(2+),Mg~(2+)荧光粉中Eu价态的探讨122-123
6.6 CR荧光粉的形貌特点123
6.7 C含量对AlON:Eu~(2+),Mg~(2+)荧光粉的影响123-126
6.8 本章小结126-128
第七章 高能球磨法制备AlON:Eu~(2+),Mg~(2+)荧光粉的探讨128-134
7.1 AlON:Eu~(2+),Mg~(2+)粉体的制备策略129-130
7.2 Mg-AlON粉体的结构探讨130
7.3 AlON:Eu~(2+),Mg~(2+)荧光粉结构的探讨130-132
7.4 AlON:Eu~(2+),Mg~(2+)荧光粉的发光性质132-133
7.5 本章小结133-134
第八章 总结与展望134-138
8.1 总结134-135
8.2 展望135-138
致谢138-140
在读期间发表的学术论文与取得的其他探讨成果140-142
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