基于光谱调控、基质重构方式硅基氮化物白色荧光粉的实现及机理研究

Single-host white phosphor for white LED can reduce energy transfer between different phosphors, avoid the imbalance of various color and solve the problem of inconsistent light degradation. This project will fabricate a series of CaAlSiN3 phosphors doping with different rare earth or/and transition metal ions, and deeply analyze the mechanism of spectral regulation by theoretical calculations. Cations such as Li+、La3+、Y3+ will be added into the host to form more different crystal lattice sites and increase the component of emission spectra. Anions such as O2-、F-、Cl- with different electronegativity will be introduced to the matrix to fabricate different coordinating polyhedrons, reduce the symmetry and ordering of crystal system and enhance the color rendering and luminescent efficiency of phosphors. Electronic structures, density of states and optical properties of phosphors with different host components and doping rare earth ions under various reaction gas pressures will be calculated by first-principles method. The results would be used to investigate the relationship between host geometric reconfiguration, crystal field change and luminescence properties. This project has a certain scientific significance and application value for developing single matrix white phosphor and improving the performance of white light LED devices.

单一基质白光LED用荧光粉可以减小荧光粉间的能量传递，避免多种颜色间的失调，解决光衰不一致的问题。本项目利用高温固相法制备稀土离子或过渡金属离子共掺杂的CaAlSiN3基白光发光材料，并通过理论计算深入分析光谱调控机理。一、通过基质中阴/阳离子、配位多面体的改变实现光谱调控。引入Li+、La3+、Y3+等阳离子，在基质中形成不同格位，增加发射光谱的组分；引入O2-、F-、Cl-等阴离子，构造不同的配位多面体，降低体系对称性和有序性，增加发射光谱半高宽，提高材料的显色性和发光效率。二、利用第一性原理方法计算不同基质组分、不同稀土离子及过渡金属离子掺杂和不同反应气体压力下材料的能带结构、态密度和光学性质，探究基质重构和晶体场变化与发光性能之间的关系。本项目对于发展单一基质白光荧光粉，改进白光LED器件性能具有一定的科学意义和应用价值。

在光转换型白光LED中，荧光粉的性能直接影响器件的显色性、色温及稳定性，因此制备具有良好发光性能的新型单一基质白光荧光粉具有重要的科学意义和应用价值。本项目以Ca3Al2O6、Ca15(PO4)2(SiO4)6和Ca4Si4N2O9为对象，研究基质组分改变及稀土离子掺杂对荧光粉发光性能的影响，并通过理论计算分析了光谱调控机理。利用第一性原理方法分析[SiN]+替换[AlO]+对Ca3Al2O6基质晶体结构和电子性质的影响。比较了Ca3Al2O6中Ca的配位环境，并计算了Ca3Al2O6基质以及不同浓度[SiN]+替换[AlO]+后晶体结构的能带和态密度。对基质中Ce3+/Eu2+离子占位情况、[SiN]+替代[AlO]+后体积和键长变化进行详细分析。这些计算结果为实验奠定了理论基础。采用高温固相法，制备一系列白光和三基色发光材料，研究了其物相组成及发光性能，发现氮化后荧光粉的热稳定性和发射强度显著增强。当y=0.0增加到y=0.2时，Ca3Al2-ySiyNyO6-y:2%Ce3+荧光粉的发射光谱从481 nm蓝移至451 nm，共掺Tb3+离子可利用能量传递机制实现光谱的调制。采用高温固相法，合成一系列Ca3Al2-zO6-zSizNz:0.67%Eu2+/Eu3+荧光粉。结果表明，通过[SiN]+替换[AlO]+，结构组分发生改变，使得Ca3Al2O6结构中有更多可以容纳Eu2+的位点，促使Ca3Al2O6荧光粉中的Eu3+转变为Eu2+。使Eu掺杂的Ca3Al2O6能够实现在紫外范围内的宽谱激发产生绿色发射，可应用在近紫外白光LED中。在该体系中，通过Sr2+-Ca2+和Cl--O2-的替代，可以实现Bi3+离子的绿色发光。在此基础上，在含钙硅酸盐中加入(PO4)3-制备了Ca15(PO4)2(SiO4)6基质材料，通过Ce3+和Tb3+离子的单掺和共掺，实现发光颜色从蓝色发光以及蓝色到青色的调控。在该基质中加入Eu3+、Sm3+和Dy3+离子，可以得到616nm，603nm的红色和橙色光以及具有484nm和578nm双峰发射的可调白光。选择单一基质白光材料或者同一基质的三基色发光材料制备了系列单一基质的白光LED器件，得到了制备该系列器件的荧光粉用量、粉体与封装材料的配比，实现了185 lm/W以上的光效和4000K以下可调的色温。