白光LED用特殊价态离子掺杂红色荧光体的制备、结构调控及发光性能研究

White LED has become the inevitable trend of the future lighting development due to high efficiency, long life, energy conservation, and environmental protection etc. It is the future development that low cost and high efficient white LED is achieved. In the project, novel special valence state ions (Mn4+ or Bi2+) doped red phosphors with low cost, high luminous efficiency, and stable performance etc are prepared by using high temperature solid state reaction method. We research the relationship between the crystal structure and luminescence properties of special valence ions (Mn4+, Bi2+) doped red phosphor, explore the stabilization mechanism and control principle of special valence ions (Mn4+, Bi2+), and analysis the effect of the energy transfer between ions and ions or the substrate on luminous efficiency. We achieve red phosphors with high stability and high quantum efficiency through the optimizing of process conditions suich as composition and sintering temperature etc, further reveal luminescence mechanism of special valence ions (Mn4+, Bi2+) doped fluorescent material by using spectroscopy and solid state physics theory. Warm white LED based on special valence ions (Mn4+, Bi2+) doped red fluorescent material is demonstrated. This project will be helpful to provide theoretical basis for white LED with excellent performance, low cost, and high efficiency.

白光LED由于具有高效、长寿命和节能环保等特点，已成为未来照明发展的必然趋势。今后发展的一个方向是进一步实现价格低廉和高效的白光LED。本项目提出利用高温固相法制备成本低、发光效率高和性能稳定等的新型特殊价态离子(Mn4+、Bi2+)掺杂红色荧光粉；研究特殊价态离子(Mn4+、Bi2+)掺杂红色荧光粉的晶体结构与发光性能的关系，探索特殊价态离子(Mn4+、Bi2+)的稳定化机制和调控原理，分析离子间以及离子与基质间的能量传递规律和对发光效率的影响；通过组成和烧结温度等工艺条件的优化，实现高稳定性和高量子效率的红色荧光粉；运用光谱学和固体物理学理论，进一步揭示特殊价态离子(Mn4+、Bi2+)掺杂荧光材料的发光机理；演示基于特殊价态离子(Mn4+、Bi2+)掺杂红色荧光材料的暖白光LED。为实现性能优异、价格低廉和高效的白光LED提供理论基础。

第四代绿色节能环保照明---LED照明光源相对于传统的白炽灯和荧光灯具有许多明显的优势，如：节能、环保、寿命长、坚固、体积小、容易设计多种产品和驱动电源安全等。在2015年两会期间，国家提出要把节能环保产业打造成新兴的支柱产业。中国版“工业4.0”规划的《中国制造2025》也正式对外公布了。因此，LED照明产品的优势和国家战略行动规划的出台，高性能LED照明产品必将得到快速发展和研究。本项目的研究内容主要有：(1) 在现有发光材料合成技术基础上，依据实验方案制备一系列发光材料，并优化样品合成工艺条件；(2) 运用现代分析仪器和固体物理学知识表征和分析样品的发光特性；(3) 对发光性能优良的样品进行LED照明制备及其发光演示，最后，总结出样品的合成与发光特性等的关键性实验参数。经过四年研究，得到了一些的重要研究结果：(1) Mn4+离子能够稳定地存在含有八面体晶胞中的氧化物基质中，在紫外/近紫外/蓝光激发下，能够发出红色/深红色的光，其光谱范围为640 - 780 nm；(2) Bi2+离子只能够掺杂于少数基质，如：硼酸盐、硫酸钡、磷硼酸盐等；(3) 能量传递和电荷补偿有利于改善荧光粉的发光特性，提高其发光效率。项目研究过程中，样品合成的关键数据主要是离子的掺杂浓度和合成温度。Mn4+离子的最佳掺杂浓度为0.2 - 0.6 mol%、Bi2+离子的最佳掺杂浓度为1 – 3 mol%、稀土离子的最佳掺杂浓度为5 – 10 mol%；基质为铝酸盐、锆酸盐、钛酸盐和钨酸盐等的合成温度为1300 - 1500℃，基质为磷酸盐、硼酸盐、钼酸盐、磷硼酸盐和锗酸盐等的合成温度为800 - 1100℃。项目的部分研究成果已经以论文和专利形式发表了，并获得许多科研人员的关注和引用；项目研究的内容和方法有利于其它相关发光材料的研究和发光性能改善；项目研究的产品在LED照明领域具有潜在的应用前景。