新型稀土掺杂AlON多形体荧光粉的制备及性质研究

Oxynitride phosphors are recognized as ideal light conversion materials due to their excellent physical and chemical stability. There are abundant AlON polyroids in Al2O3-AlN binary system.Unfortunately, the novel phosphors based on these polyroids have not been reported yet. Therefore, it is hopeful to explore and discover effective and stable novel oxynitride phosphors. This project employs special preparation method: high-energy ball mill to produce a series of rare-earth doped AlON polyroids phosphors at a low reaction temperature，compared with the disadvantages of high reaction temperature and impure products in traditional solid-state reaction. The luminescence and structure properties are studied. The parameters within high-energy ball mill, firing temperature, holding time, rare-earth doping concentration and annealing technologies are optimized. The valence and coordination information of rare-earth in matrix is revealed by the analysis of XRD, PL, EDS, TEM, XAFS and so on, which is further proved by the first principle calculation. The above structure information supports theoretical guidance to further increase luminescence performance. To investigate practical application effect, the obtained phosphors are coated on LED die. This project combines experiment and theoretical calculation, aiming to finally obtain excellent oxynitride phosphors based on novel matrix.

氧氮化物荧光粉具有优良的物理和化学稳定性，是白光LED照明中理想的光转换材料。Al2O3-AlN二元体系中含有大量的AlON多形体,而基于这些多形体的荧光材料还未被报道,因此,可望从中发现新型高效、稳定的氧氮化物荧光粉。本项目针对传统高温固相法所具有的合成温度高、产物相不纯等缺点，通过特殊的制备方法-高能球磨法在较低的合成温度下制备出一系列稀土掺杂的AlON多形体荧光粉，研究他们的发光和结构性质，优化高能球磨参数、烧结温度、保温时间、稀土掺杂浓度以及退火工艺。通过分析XRD, PL, EDS、TEM、XAFS等结果，揭示稀土离子在基质中的价态信息和配位环境，并结合第一性原理理论计算进行进一步验证。上述结构信息为进一步提高发光性能提供理论指导。把所得荧光粉涂覆在匹配的LED芯片上，考察荧光粉的实际应用效果。本项目通过实验和理论计算相结合，最终获得基于新型基质的性质优异的氧氮化物荧光粉。

环保问题已经成为世界关注的焦点，关系到人类社会的发展和延续，特别在世界人口第一大国，形式尤为严峻，2013年至2016年发生的大面积雾霾事件就已经为我们敲响了警钟。而环保与能源消耗密切相关，这其中，房屋和商业照明的能源消耗占整体能源消耗的比例约为15%-35%左右。因此，开发高效环保的照明技术也是节能减排的一个很重要的方面。LED照明被称作第三代照明技术，具有很多优点：节能、环保、寿命长等，逐渐走进我们的生活中。现阶段主流是单个LED上芯片涂覆可匹配的荧光粉的白光实现方式。因此，荧光粉在白光LED中起着举足轻重的作用，其发光效率、发光性质和稳定性直接决定着LED器件的性能。氧氮化物就以其优异的发光性能、物理和化学稳定性吸引全世界研究人员的广泛注意，新的白光LED用氧氮化物荧光粉逐渐被开发出来，其在显色性和热稳定性方面拥有很大的优势，逐渐成为光转换材料的研究热点。本课题针对新型的稀土掺杂AlON基质材料（AlN-Al2O3）作为研究对象，从中探索、发现新型高效、稳定的氧氮化物荧光粉。采用高能球磨法，在较低的合成温度下合成了稀土掺杂的AlON基荧光粉，并对其光学性质和结构进行了详细研究。结果表明，在紫外光激发下，此系列荧光粉发出强烈的蓝色光，发光波长在470nm左右。而且荧光粉具有良好的热稳定性，可以作为LED器件或者真空紫外器件中的蓝色光转换材料。并提出了通过能带、晶体结构、表面的修饰，改善发光效率，对提高其他荧光粉的发光效率具有借鉴意义。