铈掺杂钇/镥铝石榴石荧光材料的制备和性能研究

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“节能减排,保护环境”是目前全人类一个共同的发展主题。在世界各国和地区,照明用电占据着其总发电量的显著比例。相比于传统的照明光源(白炽灯,荧光灯,高压气体放电灯等),发光二极管(light-emitting diode,LED)作为新一代的照明光源有着诸多优点,如寿命长,效率高,无重金属污染,以及结构紧凑,易于设计、安装、运输等。基于蓝光芯片的白光LED是目前市场的主流,此方案需要波长转换材料(荧光材料)使其产生白光。  铈掺杂钇/镥铝石榴石(cerium-dopedyttrium/lutetium aluminum garnet, YAG∶Ceand LuAG∶Ce)是白光LED产业重要荧光材料,因其价格相对低廉,合成工艺简单,性能优异而被广泛使用。固相法合成的微米级粉末是其最常见的使用形式。然而随着荧光材料用途的扩展,如大功率LED,激光照明,闪烁体制备,无机生物荧光标记等,传统固相法合成的YAG∶Ce和LuAG∶Ce的粉末已经无法应对新的用途和要求。本研究采用了非均相沉淀,溶胶-凝胶,静电纺丝等方法,制备了多种形貌的YAG∶Ce和LuAG∶Ce荧光材料,并结合不同的封装工艺对其进行了具体应用方面的研究,分为以下三个部分:  (1)使用制备(含铝)多晶纤维所用的铝溶胶体系,以制备LuAG∶Ce荧光粉。传统的溶胶-凝胶法在制备荧光粉时,往往需要加入基于高分子(含碳)的凝胶剂来使其凝胶化,碳残留会降低荧光材料的吸收和发射,从而明显降低其性能。铝溶胶体系从源头上隔绝了碳的引入。制得无碳前驱体之后,采用不同的热处理工艺,得到了微米级和纳米级的荧光粉。经950℃保温1h热处理,可得到一次粒径为纳米级(~15 nm)的LuAG∶Ce,此时颗粒有团聚,该产物可以应用在透明陶瓷的制备。而经两步法热处理制得的微米级的(~3μm)荧光粉团聚较小,亮度达到商品荧光粉的80%。有一定潜力应用在白光LED上。  (2)报道了一种非均相沉淀法以制备LuAG∶Ce微米颗粒。使用了喷雾热解方法制备的球状的α-Al2O3作为沉淀的核心,并采用了“两步法”热处理工艺,得到了尺寸均匀,无团聚的微米级荧光粉,中值粒径(D50)约为13μm。其亮度接近主流商品水平。用于大功率白光LED的Phosphor in Glass(PiG)是目前的研究热点,为了降低LuAG∶Ce在PiG制备过程中的劣化,对LuAG∶Ce颗粒表面进行了SiO2包覆。实验结果证实,SiO2包覆的LuAG∶Ce荧光粉在PiG(Na2O-CaO-SiO2-Al2O3体系)制备过程中的劣化明显降低,其原因可能是SiO2对荧光粉和玻璃之间的界面反应有一定的抑制作用。有着较好的应用前景。  (3)对基于铝溶胶的溶胶-凝胶法进行了进一步的探索。通过静电纺丝制备了YAG∶Ce纳米线。首先得到了直径~250nm的纳米线前驱体。然后经过严格控制的热处理过程,制得了多晶YAG∶Ce的纳米线。结晶后的纳米线直径有所萎缩到~200 nm,但纤维结构完整的保持了下来。将纳米线堆叠而成的片材直接附在蓝光芯片上,可以制得白光LED,其流明效率达到621m/W,展现出潜在的应用价值。接下来,为应对溶胶-凝胶法高温烧结后的团聚问题,提出了一种改进的烧结方案。将YAG∶Ce溶胶涂覆在SiO2上制得了岛状的涂层,热处理后,通过氢氟酸腐蚀除去SiO2,经离心得到了分散良好的YAG∶Ce纳米颗粒,YAG∶Ce纳米颗粒尺寸在150 nm左右,其发射强度(450 nm激发)达到了微米级商品粉的约70%,对于纳米级荧光粉是一个比较可观的数值。
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