大功率白光LED荧光微晶玻璃用硅基氮氧化物荧光材料的制备与发光调控研究

This project aims to solve the problems of phosphors in glass for few species variety, poor luminous efficiency, and poor emission adaption in the high power white light emitting diode. Hence, we explore three different structure oxynitride phosphor materials by high temperature solid-state reaction, carbothermal reduction nitridation (CRN) and flux method. We analyze the preparation conditions for effectively controlling the particle morphology, and obtain the approach for reducing the preparation temperature. To obtain high quantum efficiency, good thermal stability and color-tunable phosphors for high power white LEDs, we replace Si(O,N)4 by Al(O,N)4 and doping charge compensation ions into the samples. Through the comparison of theoretical calculation and the experimental results such as band structure and electron density calculation of the first principle, XRD structure refinement, absorption spectrum, excitation-emission spectrum, SEM and TEM, the luminescence mechanism of three different structure oxynitride materials will be elucidated further. It will provide new ideas and theoretical basis for the design and development of novel oxynitride phosphor materials applied in high power white LEDs.

本项目基于目前大功率白光LED荧光微晶玻璃用荧光材料存在种类匮乏、发光效率较低、波长适应性窄等瓶颈问题，通过高温固相法和碳热还原氮化法制备三种不同结构的氮氧化物荧光材料，通过不同助熔剂的引入，分析有效调节颗粒形貌的制备条件，获得降低合成温度的途径。项目以调控Si(O,N)4四面体网络结构为切入点，以Al(O,N)4四面体部分替代Si(O,N)4四面体并引入合适的电荷补偿剂，以期待获得高量子效率，优秀的热稳定性和颜色可调的荧光材料。通过基于第一性原理的能带结构、电子态密度等理论计算，对比XRD结构精修、吸收光谱、激发/发射光谱及 SEM/TEM等实验测试，对三种氮氧化物荧光材料掺杂前后样品的晶体结构进行研究，进一步阐明不同结构氮氧化物荧光材料的发光机理，为大功率白光LED荧光微晶玻璃用荧光材料的设计和研发提供新的思路和理论依据。

本项目基于目前大功率白光LED荧光微晶玻璃用荧光材料存在种类匮乏、发光效率较低、波长适应性窄等瓶颈问题，通过高温固相法制备多种不同结构的硅基（氮）氧化物发光材料。围绕层状-架状-岛状结构发光材料的设计与制备、探讨不同结构硅基（氮）氧化物发光材料进行离子单掺和共掺时，在晶格对称性、N/O比变化、阳离子格位占据、光谱特性及能量传递机制等方面的变化规律，取得的研究成果如下：1）岛状结构Ba2SiO4，Zn2SiO4发光材料的设计合成及发光性能研究：设计合成了Ba2SiO4岛状结构发光材料，研究了原料中不同Si3N4/SiO2比例制备Eu2+离子掺杂Ba2SiO4的发光性能，探索了Al3+离子的掺入对发光性能及热稳定性能的影响；对于Zn2SiO4发光材料，主要通过合成原料中ZnO的比例变化，人工调控目标产物中氧空位的含量，提高420nm波段Mn2+离子d-d跃迁激发光谱的强度进而满足LED用发光材料的应用条件；2）三维结构发光材料Ba9Lu2Si6O24:Eu2+设计合成及发光性能研究：合成了一种新型三维结构发光材料Ba9Lu2Si6O24:Eu2+，研究了稀土离子掺杂后的发光性能，并且在阳离子（Sr2+）取代后实现了颜色可调。同时详细解释了阳离子取代后结构及发光性能的变化和热稳定性增加的原因；3）层状结构Ba3Si6O12N2:Eu2+发光材料的发光性能与机理研究：在层状结构Ba3Si6O12N2:Eu2+发光材料中通过Al-O四面体取代基质中部分Si-O四面体，详细探讨了结构变化对于激活剂离子选择占位的影响，同时得到了高量子效率、较强热稳定性的窄带绿色发光材料。为探寻应用于大功率LED的硅基发光材料提供了有效的实验数据和理论支持。4）新型结构发光材料的构建与发光性能研究：成功制备并合成了钙钛矿、正交晶系钨酸盐、硅铋矿、白磷钙矿结构发光材料，研究了离子在不同格位中的发光性能变化，在不同晶体场环境中的发光特性，多种掺杂离子共存时的离子间的能量传递现象以及离子与基质间的相互作用等，制备出了诸多单一基质红光、橙光与白光发光材料，并探究相应发光材料应用于大功率白光LED的潜在可能性。本项目首先为不同结构硅基（氮）氧化物发光材料的设计、合成和发光性能方面提供了大量的实验数据，其次也为发光机理的完善与照明的实际应用提供了一定的理论参考。