白光LED用硅基氮氧化物荧光材料的制备、性能及发光机理研究

Synthesis of silicon nitrogen oxide luminescent materials generally needs active raw materials and harsh terms such as high temperature and pressure due to their inactivity. This shortcoming does not only restrict the industrialization of this series of phosphors but also make it very difficult to develop new luminescent materials in this cluster. Thus it is very necessary and urgent to develop a new method which can be manipulated in a lower high temperature and pressure. .In the present item, sol-gel method, having silicates as precursors, will be used to synthesize silicon nitrogen oxide luminescent materials MSi2O2N2: Eu2+(M = Ca, Sr, Ba) under normal pressure. We will investigate grain growth mechanism and phase transition of these phosphors in order to disclose effect of the adjustment of microstructure on the morphology and luminescence properties of prepared phosphors. The effect of cation substitution and the change of environmental atmosphere on the coordination lattice of luminescent ions will also be investigated. Energy transfer and quantum cutting in these phosphors will be explored in detail to improve the luminescence properties of these phosphors. Luminescence mechanism and the relationship of phase transition and luminescence intensity will be clarified. The actualization of this item can not only provide more plentiful theoretical basis but also promote the development of white light-emitting diodes.

硅基氮氧化物荧光粉的制备需要高温、高压等苛刻的条件，这极大地制约了该系列荧光粉的生产和应用，也使得新型含氮材料的开发极为困难。因此，研究常压较低温度下制备出性能优良的硅基氮氧化物荧光粉，显得尤为紧迫和必要。.本课题研究以溶胶?凝胶法制备硅酸盐为前驱体的两步反应法常压下合成白光LED用高效硅基氮氧化物MSi2O2N2: Eu2+(M=Ca,Sr,Ba)荧光粉的制备技术；通过对硅基氮氧化物的晶粒生长机理和相变过程的研究，揭示微观结构的调控对粉体颗粒形貌与发光性能的影响；研究阳离子取代/置换、O/N比等变化对发光离子配位环境的影响规律，深入探讨硅基氮氧化物多激活离子共掺的能量传递机制及出射光谱的裁剪，实现提高粉体的发光效率和荧光光谱调控；阐明硅基氮氧化物的发光机理并确定晶体相变过程与发光强度之间的关系，为新型荧光材料的开发提供理论基础，促进白光LED产业的发展，具有重要的理论意义和实际价值。

白光LED因具有高效节能、寿命长、绿色环保等优点受到广泛地重视。而作为其LED封装用的关键材料荧光粉的性能直接决定了LED产品的整体质量。氮化物为基质材料的荧光粉由于具有优良的荧光性能和稳定的物化性能而成为研究热点。本项目主要是研究常压下白LED用硅基氮氧化物MSi2O2N2:Eu2+ (M=Ca, Sr, Ba)荧光粉的制备及发光性能。其主要研究成果如下：.1.在两步反应法制备MSi2O2N2:Eu2+的过程中，1300°C时M2SiO4开始大量转化为MSi2O2N2，提高反应温度和增加保温时间有利于提高荧光强度。MSi2O2N2:Eu2+ (M=Ca, Sr, Ba)最佳反应温度和保温时间分别为1500°C、1500°C、1400°C 和6h、4h、6h，且在以上条件下均能制备出纯相的硅基氮氧化物。.2.前驱体MSiO4:Eu2+荧光粉的平均粒径和形貌对MSi2O2N2:Eu2+ 荧光粉有显著影响。结果表明当MSiO4: Eu2+的平均粒径小于1微米且形貌成类球形时，其与Si3N4反应合成MSi2O2N2:Eu2+荧光粉的综合性能最好。.3.系统探讨了MSi2O2N2: Eu2+荧光粉的发光性能，结果表明该系列荧光粉的激发光谱覆盖250-500nm波段，可与紫外和蓝光LED芯片相匹配制造白光LED；其发射光谱的峰值分别位于560nm、535nm 和 490nm。此外，还研究了通过增加激活剂掺杂浓度及用适量的大尺寸原子取代阳离子M位置等方法使其发射光谱红移，实现了该系列荧光粉发射光谱从蓝光到黄光范围内可调。根据Dexter能量传递共振理论，证明了 MSi2O2N2:Eu2+浓度猝灭机理为电偶极-电偶极相互作用并计算了其临界传递距离Rc值。.4.研究了稀土离子共掺对MSi2O2N2:Eu2+发光性能的影响。结果显示在MSi2O2N2:Eu2+中共掺Mn2+、Dy3+和Ce3+可提高其激发和发射光谱的强度。在样品发光光谱中观察到了分别属于Ce3+和Eu2+的发射光谱带，通过计算证明了Ce3+-Eu2+之间存在能量传递；结果表明用Mn2+或Dy3+共掺MSi2O2N2:Eu2+时并不会改变样品的激发和发射光谱即仍表现为Eu2+的激发和发射光谱，但Mn2+或Dy3+的共掺浓度直接影响到样品的发光强度。