紫外激发白光LED单一相偏钒酸盐荧光粉的结构与光谱调控

The launch of the ultraviolet chips on the markets presents new opportunity and challenge for the investigation and development of the phosphor powder excitated by UV-light for white LEDs. Because of the unique crystal structure of metavanadates M2V2O7 (M = Sr, Ca, etc.), the researches and development of novel metavanadate phosphor powders excitated by UV-light for white LEDs have important strategy values and scientific significance for enhancing the core-competitiveness of our country in the field of white LEDs. However, presently,the effective excited spectra of metavanadates phosphors focus on the deep ultraviolet region and their color rendering lndex are on the low side due to the missing red light in the emission spectra, hindering their practical applications. In this work，by doping different metallic ions,the crystal field of ligands around the transition metal ion V5+ and rare earth metal ion Eu3+ are adjusted to control fluorescence spectra and improve color rendering lndex. Experimentally, the solid state method will be applied to carry out the substitution of metal ions in the crystal lattice and to prepare the single-component metavanadate M2V2O7 phosphor powders excitated by UV-light for white LEDs. At the same time, crystal field theory is also used to predict the optical properties of phosphors, to reveal the associated physical mechanism of "Structure-Illumination Performance" and "Preparation Technology -Illumination Performance" and to explore the control rules of the spectra of phosphors for white LEDs.

紫外芯片的出现为紫外激发白光LED用荧光粉的研究和发展带来了新的机遇与挑战。因偏钒酸盐M2V2O7（M为Sr、Ca等）独特的晶体结构，新型紫外激发白光LED单一相偏钒酸盐荧光粉的开发研究对提高我国在白光LED领域的核心竞争力方面具有重要的战略价值和科学意义。而目前偏钒酸盐荧光粉的有效激发光谱位置集中在深紫外区域，并且发射光谱缺少红光部分而使得显色指数偏低，阻碍了偏钒酸盐荧光粉的实际应用。本项目拟通过设计掺入不同的金属离子，调节过渡金属离子V5+和稀土金属离子Eu3+双发光中心周围配体的晶体场，从而达到调控荧光光谱、提高显色指数的目的，实验上使用高温固相方法实现金属离子在晶格中的替代，制备出紫外激发白光LED用单一相偏钒酸盐M2V2O7荧光粉；同时应用晶体场理论，预测荧光粉的光谱特征，揭示"结构-发光性能"与"制备工艺-发光性能"的物理关联机制，探索白光LED用荧光粉光谱的调控规律。

新型紫外激发白光LED荧光粉制备与光谱研究对开发利用固体照明具有重要的应用价值和科学意义。本项目对紫外激发单一基质偏钒酸盐M2V2O7(M = Sr, Ba)荧光粉进行了试验研究和光谱晶体场理论分析，系统地研究了单一基质偏钒酸盐荧光粉的制备工艺、晶体结构与光谱性能之间的物理关联。本项目研究表明掺杂离子浓度、荧光材料的晶粒尺寸是调控白光LED显色指数及其发光强度的关键，主要研究结论包含：1）通过调节过渡金属离子V5+和稀土金属离子Eu3+双发光中心的掺杂浓度能有效调控单一基质偏钒酸盐荧光光谱、显著增强显色指数；2）偏钒酸盐Ba2V2O7或Sr2V2O7荧光粉400 nm-650 nm宽谱根源于在畸变双VO4基团中过镀金属离子V5+发光中心离子的周围配体特殊的近似C3V晶体场作用，双VO4基团共用氧离子提供了一个跃迁电子给的V5+转变为V4+；3）根据晶体场理论和重叠模型建立发光中心V离子的10×10维完全能量矩阵，并首次从理论上标定所有跃迁光谱，揭示偏钒酸盐荧光粉的光谱机制；4）稀土离子Eu3+能够有效调控白光LED用单一基质偏钒酸盐Sr2-2xV2O7：Eux的红色光谱，实验发现最佳的掺杂浓度为x = 0.12；5）实验有趣地发现693nm红色光能激发偏酸盐产生上转换白色光谱，其光谱强度是近紫外激发下转换光谱强度的2.5倍，通过密度泛函理论计算能带结构和电子态密度分布得出重要结论：这种有趣的上转化光谱根源电子雪崩跃迁。这一实验结果为实现白光LED提供了可能的全新模式，对拓宽白光LED用荧光粉开发利用具有重要科学意义。6）构建各种对称结构下稀土离子Eu3+（3003×3003）和Sm3+（2002×2002）的完全能量矩阵，有机地将理论和实验统一研究白光LED用荧光粉中这两种稀土离子的光谱机理。7）应用高分子辅助沉积方法成功地在普通石英玻璃基片上制备了准单晶Sr2V2O7和Ba2V2O7白光LED纳米荧光薄膜，其绝对量子产率高达95%，这将从根本上解决现有白光LED尤其大功率LED的散热问题。本项目的研究结果为实现白光LED打下了材料制备工艺实验基础和光谱机理研究的理论基础。