稀土/过渡金属离子共掺荧光体的合成及光谱调控研究

Now white light-emitting diodes (LEDs) have become the inevitable trend of the solid-state lighting source development due to high efficiency, long life, energy conservation, and environmental protection etc. A future development direction is to further achieve high efficiency and good stable white LEDs. In this project, Eu2+ or 3+/Mn2+ ions co-doped phosphors with excellent luminescence properties, high luminous efficiency, good stable performance, and spectral controllability are prepared by using high temperature solid-state reaction method. We research the relationship between the host crystal structure and luminescence properties of Eu2+ or 3+/Mn2+ ions co-doped phosphors, explore the valence state stabilization and control mechanisms of Eu2+ or 3+/Mn2+ ions, and analysis the influence of the energy transfer rules among Eu2+ or 3+/Mn2+ ions and the host to luminous efficiency and spectral controllability. We achieve Eu2+ or 3+/Mn2+ ions co-doped phosphors with high stability and high quantum efficiency through the optimizing of synthesis process conditions (e.g., composition and sintering temperature etc), further reveal luminous mechanisms and spectral regulation mechanisms of Eu2+ or 3+/Mn2+ ions co-doped phosphors by using spectroscopy and solid state physics theory. White LEDs based on Eu2+ or 3+/Mn2+ ions co-doped phosphors are demonstrated. The project research will be helpful to provide the experimental evidence and theoretical basis for white LEDs with excellent luminescence performance, high efficiency, and good stability.

白光发光二极管(LED)由于具有高效、长寿命和节能环保等特点，现已成为固态照明光源发展的必然趋势。今后发展的一个方向是进一步实现稳定高效的白光LED。本项目提出利用高温固相法制备发光性能优良、稳定高效和光谱可控的Eu2+或3+/Mn2+共掺荧光体；研究Eu2+或3+/Mn2+共掺荧光体的基质晶体结构与发光性能的关系，探索Eu2+或3+和Mn2+离子的价态稳定化和调控机制，分析Eu2+或3+、Mn2+离子和基质三者之间的相互作用对发光效率和光谱调控的影响；通过组成和烧结温度等合成工艺条件的优化，实现高稳定性和高量子效率的Eu2+或3+/Mn2+共掺荧光体；运用光谱学和固体物理学理论进一步揭示Eu2+或3+/Mn2+共掺荧光体的发光特性和光谱调控机制；演示基于Eu2+或3+/Mn2+共掺荧光体的白光LED。该项目的研究有助于为实现性能优异和稳定高效的白光LED提供必要的实验依据和理论基础。

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) 在查阅国内外文献资料和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样品，并优化出样品合成最佳工艺条件；(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) 稀土离子的掺杂有助于改善和调节Mn4+离子掺杂荧光体的发光特性，得到高效率的稀土/Mn4+离子共掺荧光体；(3) 能量传递和电荷补偿有利于改善荧光体的发光特性，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%和稀土离子的最佳掺杂浓度为5 – 10 mol%；基质为铝酸盐、锆酸盐、铌酸盐、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℃。项目具有一定的科学意义：项目研究成果已经在国际期刊上发表了高档次论文和申请了国家发明专利，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。