离子掺杂YAG:Ce3+粉体制备及其荧光特性研究

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白光发光二极管(Light-Emitting Diodes)因其具有全固态、功耗低、光效高、低辐射、寿命长、光谱几乎全部集中于可见光频段等优点,在照明市场的前景备受瞩目,被业界认为是未来取代白炽灯、钨丝灯和荧光灯的最大潜力商品。尤其是可被蓝光和紫外光激发的黄色荧光粉YAG:Ce3+的性能对白光LED的优异性能的实现起着至关重要的作用。本文采用微波均相沉淀法结合喷雾干燥的方法,综合了助熔剂辅助煅烧和掺杂离子的因素,探讨了上述因素对荧光粉YAG:Ce3+的制备和荧光性能的影响。主要研究工作由优化合成工艺和离子掺杂提高荧光性能两方面展开:(1)采用微波均相沉淀与喷雾干燥相结合的方法,添加助熔剂辅助煅烧制备了具有良好分散性,平均粒径为2μm的单相YAG:Ce3+荧光粉体,研究了其共同作用对煅烧条件及YAG:Ce3+荧光粉颗粒形貌、分散性和荧光性能的影响。结果表明,采用微波均相沉淀与喷雾干燥相结合的方法能够获得分散性好的球形YAG前驱体颗粒;用喷雾干燥法取代普通干燥,缩短了制备时间,减少荧光粉煅烧后的团聚,得到颗粒呈球形、分散性好且粒度小的荧光粉,有利于荧光粉的发光以及涂敷,当前驱体溶液的浓度为0.0125mol/L时,可以喷雾得到分散性好,粒度小且均匀的前驱体颗粒。在前驱体中添加NaF、NaF与H3BO3、BaF2及BaF2与H3BO3的混合助熔剂煅烧制备YAG:Ce3+产物。讨论添加的不同助熔剂用量对制得产物形貌和分散性以及发光结果的改善。结果表明,NaF及NaF与H3BO3混合助熔剂加入后,煅烧温度降低至1150℃,即能够得到纯YAG晶相;随NaF添加量增加,荧光粉结晶度提高,发光强度增强,发射光谱蓝移;NaF添加量为6wt%时YAG:Ce3+荧光强度最高。与添加一种助熔剂相比,混合种类助熔剂的加入能够明显提高产物的发光效果。讨论了混合种类助熔剂比例对产物性能的改善,4wt%NaF与2wt%H3BO3的加入得到的荧光粉荧光强度最高。添加BaF2及BaF2与H3BO3的助熔剂,煅烧温度降低至1370℃。加入BaF2的YAG:Ce3+荧光粉与纯YAG:Ce3+荧光粉相比,其发光强度较高。加入6wt%的BaF2产物的发射光谱强度达到最强。1wt%BaF2+1wt%H3BO3的加入使荧光粉的发光强度较大。通入还原性气氛(H2/N2)能够抑制CO32-分解和Ce3+被氧化,保证了荧光粉的性能。(2)不同Ce3+掺杂的荧光粉分散性不同。其发射光谱波峰位置基本不变,Ce3+掺杂量为4%的荧光粉的发光强度最大。Si4+掺杂的荧光粉与纯YAG:Ce3+荧光粉相比,结晶性较好,但同时也会带来有明显的团聚性。且随着掺杂Si的增加,团聚性加剧。当Y2.88Ce0.12Al5-xSixO12中x小于0.3时可得到单相YAG,增大Si3N4添加量,生成Y2Si2O7杂相。YAG:Ce3+的荧光性能随Si4+量增加而增大,荧光光谱渐宽,且荧光强度提高近40%。掺杂不同Pr3+量的荧光粉的结晶度、颗粒粒径及分散性不同。YAG:Ce3+的荧光性能随Pr3+掺杂量的不断改变其发射光谱的波峰位置基本不变,但其强度在不断改变。掺杂Pr3+的荧光粉的发射光谱有两个主要的发射峰,第一个是Ce3+的特征发射峰,第二个发射峰位于610nm左右(属于Pr3+的特征发射峰)。结果表明当Pr3+的掺杂摩尔百分数为1%时荧光强度最高。掺杂不同Gd3+量的YAG:Ce3+荧光粉与未掺杂的相比,颗粒均匀性较差,团聚较明显。掺杂稀土离子Gd3+可使YAG:Ce3+荧光粉的发射光波长发生红移,进而可以增加白光LED中的红色发光的成分,并且随浓度的不断改变其强度也不断改变,结果表明当Gd3+的掺入量为0.2%时,发射强度最强。
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