白光LED用硅基氮化物荧光粉体的非平衡制备新技术及其光谱调控研究

Nitride phosphors is a key material in fabrication white LEDs with high stability, high color index, and low color temperature because of their encouraging luminescent properties, such as abundant emission spectrum, low thermal quenching, and high chemical stability. However, the current manufacturing process is severe because the process requires the use of expensive nitride raw materials, a high temperature and high pressure atmosphere and long processing time. In this project, we research on preparation of silicon-based nitride phosphors by novel non-equilibrium synthesis with fabrication techniques of porous ceramics, such as gel-casting-foam and freeze drying method. The influence of non-equilibrium synthesis process and distribution characteristics of the porous body on crystal synthesis, growth defects, rare-earth doped and powder morphology uniformity will be studied. In addition, the emission spectrum characteristics of silicon-based nitride phosphors by crystal field modulation with changing the system chemical components and rare-earth types also will be researched and the physical mechanism of the influence of the host material lattice change on the emission spectrum will be studied. Finally, we predict to master a simple and low cost new non-equilibrium fabrication process for silicon-based nitride phosphors, break patent barrier of phosphors in high-end LEDs products, and promote the development of high power and high performance white LEDs for our country.

氮化物荧光粉具有丰富的发光光谱以及良好的化学和热稳定性能，是制作高稳定性、高显色指数、低色温白光LED的重要材料。然而，目前合成氮化物荧光粉往往使用昂贵的氮化物粉体做为原料，其制备条件苛刻，常需要长时间的高温合成和高压氮气气氛保护。为解决该问题，本项目拟采用非平衡制备技术结合多孔陶瓷制备技术合成一系列硅基氮化物荧光粉体材料，研究在非平衡合成中晶体生长控制、稀土掺杂行为的物理机制；以及坯体分布特征对晶体生长、粉体形貌均匀性的影响规律，解决非平衡制备中产物不均匀的难题；研究具有不同基质结构、不同稀土掺杂荧光粉体的发光光谱特征，揭示基质材料点阵改变对稀土发光影响的物理本质；最终形成一种简单、低廉的合成高质量硅基氮化物荧光粉的非平衡制备新技术，突破目前国内缺乏新型、高端LED用荧光粉自主核心技术的瓶颈，促进我国大功率、高性能白光LED的发展。

氮化物荧光粉具有丰富的发光光谱以及良好的化学和热稳定性能，是制作高稳定性、高显色指数、低色温白光LED的重要材料。然而，目前合成氮化物荧光粉往往使用昂贵的氮化物粉体做为原料，其制备条件苛刻，常需要长时间的高温合成和高压氮气气氛保护。为解决该问题，本项目采用非平衡制备技术实现了α-SiAlON、β-SiAlON CaAlSiN3一系列硅基氮化物荧光粉体材料的合成制备。项目重点系统研究了反应物中稀释剂含量、反应氮气压力、不同添加剂种类等燃烧反应参数对合成粉体发光性能的影响规律，结果表明原料中稀释剂比重，对合成粉体的相的纯度、结晶度以及颗粒形貌有重要影响，并决定其发光性能，适量NH4Cl的添加对燃烧合成过程及产物的发光性能有重要影响，2 wt.% NH4Cl的添加可将发光光谱强度提高近50%；系统研究了不同成分设计（即不同m、n值，不同发光中心掺杂量），对荧光粉体合成与发光性能的影响规律，提出了一种新颖的冷冻干燥辅助燃烧合成路线，成功制备出高质量（高的量子效率、好的热淬灭性能）、粒径分布均匀的短棒状低氧Ca-SiAlON荧光粉体，该粉体在450nm激发下具有592nm橘黄色发射峰，封装LED后可实现CCT色温3000-4500K，显色指数Ra 66-78，流明效率118-132 lm/W；系统研究了采用Ca3N2、CaH2等不同钙源对燃烧合成CaAlSiN3红色荧光粉体合成与发光性能的影响规律，结果表明采用Ca3N2与CaH2混合钙源燃烧合成既有利于合成粉体发光性能的提高，又有利于简化氮化荧光粉体的制备过程与降低成本。上述成果可望为形成一简单、低廉的合成高质量硅基氮化物荧光粉的新技术提供技术方案，以突破目前国内缺乏新型、高端LED用荧光粉自主核心技术的瓶颈。