用于植物生长的单一基质蓝红双色LED荧光粉的设计、制备与发光性能研究

LED(light-emitting diode) features in small volume, long lifespan, high brightness, and low heat. These characteristics have led to an overwhelming application prospect as a new type of energy conservation light source to replace the artificial light source for highly efficient plant production. Currently, the plant growth LED light sources are assembled through semiconductor chips, which have the characteristics of a complicated driven circuit, high fabrication cost, and bad photosynthesis absorption spectrum matching performance. This project originated from the design of phosphor-converted LED type. The highly stable apatite oxide and alkaline earth (pyro)-phosphate composite oxides will be used as the research host to prepare the blue and red dual-color single-phase phosphor for the plant growth LEDs. By the design of host composition and doping ions, thus, the emission of the blue, red, and deep red will be realized, the intrinsic law for controlling the dual-color emission and spectra adjusting will be disclosed through deep research on the luminescence properties and energy transfer mechanism, and the relation between the structural composition and luminescence properties will be discussed. The effective control of the micro/nano materials' morphology and size makes clear about the relation between the luminescence property factors, such as appearance and size, and its luminescence performance based on synthesis methods like sol-gel melting salt synthesis and hydrothermal/solvothermal synthesis method, which provides relevant experimental support and theoretical summary for the development of plant growth LEDs.

LED具有体积小、寿命长、高亮度与低发热的特点，用这种新型节能光源代替已有的人工光源进行植物的高效生产，在农业中具有广阔的应用前景和较高的实用价值。现有植物生长用LED光源通过单芯片结构组装，存在驱动电路复杂，制作成本高，与光合作用叶绿素的吸收光谱匹配性较差等问题。本项目从荧光粉转换型LED的设计出发，以近紫外光激发的单一基质蓝、红双色植物生长用LED荧光粉为研究目标，以磷灰石型氧化物和碱土（焦）磷酸盐为研究基质，通过基质组成和掺杂离子的设计，实现蓝光、红光和深红光的发射；通过深入研究发光性质和能量传递机理，揭示蓝、红光双色发射和光谱调控的内在规律，探讨结构组成与发光性能之间的内在联系；通过溶胶-凝胶-熔盐法，水热/溶剂热法等合成方法实现微纳米材料的形貌、尺寸有效控制，明确材料的形貌、尺寸等因素与其发光性能的关系，为最终开发LED植物生长灯提供相关的实验支持和理论总结。

在LED荧光粉领域，针对植物光合作用叶绿素的吸收光谱，研制专用于植物生长的LED荧光粉及其器件显得尤为迫切。本项目，通过基质组成和掺杂离子设计，研究蓝、红双色荧光粉的发光机理，揭示蓝、红光双色发射和光谱调控的内在规律，为植物生长用LED新型荧光粉的开发设计和性能预测提供理论支持。1）在Na5Al(PO4)2F2氟磷酸盐荧光粉中，通过电荷不等价取代制造发光缺陷，实现Eu2+/Eu3+掺杂的共同发射。 Eu离子展现两种价态：+2价与+3价。Eu2+离子在420 nm及530 nm有宽带蓝光发射。Eu3+离子在615 nm有红色光谱发射。蓝-红颜色的转变可以通过改变激发光波长来完成。在近紫外光的激发下，Na5Al(PO4)2F2:Eu可以被用于植物生长用发光二极管。2）针对植物生长所需要的红光LED器件，选择一类高稳定的磷酸盐，钼酸盐，钨酸盐，通过掺杂高效发光的Eu3+,Sm3+离子，制备得到一系列窄带红光发射的荧光粉。在Ba3La(PO4)3:xEu3+ (0.01 ≤ x ≤ 1.00)中，经与商品Y2O3:Eu3+荧光粉对比，其发光强度是商品粉的4.8倍，量子效率测试为71%。3）针对植物生长深红光不足的问题，通过调节基质组成，引入电负性强的硫化元素， 增强Mn2+的晶体场强度，使得Mn2+的发射移动至深红光区。用高温固相法合成了宽带深红光发射的荧光粉；CaLaGa3S6O:Mn2+荧光粉中，Mn2+在330 nm紫外光激发下，呈现出典型Mn2＋离子的4T1（4G）→ 6A1（6S）跃迁宽带发射，发射谱的峰值波长为676 nm，半高宽约为110 nm；荧光粉的深红色的宽带发射与植物在红光区的吸收光谱一致，表明可用于植物生长用LED器件。4) 针对植物生长所需要的蓝光LED器件，通过高温固相法合成了一类蓝光宽带发射荧光粉。在Ca2PO4Cl:Eu2+荧光粉中，在365 nm紫外光激发下，Eu2+呈现出典型5d-4f跃迁宽带发射，发射谱的主峰在454 nm，半高宽约为76 nm，在150℃时仍能保持室温发光强度的83%。本项目实施过程中，认真按照项目的计划进行并完成项目所预定的目标。目前以第一作者或通讯作者发表SCI论文19篇。申请专利1项，参加国内国际学术会议四次，指导研究生两名，本科生8名。