LED植物灯用磷灰石结构氧化物荧光材料的制备和光学性能研究

LED plant lamp adopts artificial light in order to improve the photosynthesis efficiency and the growth rate, which is the major component for the future plant factory. Phosphors are the key point to determine the quality of plant lamp. This project works for the research and application of efficient apatite oxide phosphors with the plant-boosting blue (purple) and red emitting. We synthesize rare earth ions doped apatite oxide phosphors via high temperature solid state method, hydrothermal method and so on. Through the comparison of theoretical calculation and the experimental results such as XRD, absorption spectrum, excitation-emission spectrum, quantum yield, SEM and TEM, We can disclose the law of synthesis, optical properties, morphology, cation preferential occupation, micro-structure of electronic density along with the changes of tetrahedron groups and ions. Based on that, we fabricate the LED lamp, and analyze the varieties of photo-color-electricity parameters and photo-thermal decay of that, and discuss the influence of encapsulating techniques on the preparation requirements and luminescent characteristics. Meantime of developing new fluorescent materials, we may provide some scientific data and theoretic guide to link the laboratory to the application.

LED植物灯采用人工组合光源提高植物光合作用效率和生长速度，是未来植物工厂的重要组成部分，其中荧光粉效率是决定植物灯性能优劣的关键因素，本课题致力于能够在植物生长所需的蓝（紫）、红两辐射区高效发光的磷灰石结构氧化物荧光材料的研发和应用化探索。通过高温固相、水热等多种方法制备Ce、Eu、Mn等激活离子掺杂的磷灰石氧化物，进行能带结构、电子态密度等理论计算，XRD、吸收光谱、激发/发射光谱、量子产率及SEM/TEM等实验测试，通过理论结果与实验数据两方面比照，揭示其阳离子、四面体集团、通道离子等方面系统的变化带来的合成条件、光学性能、形貌特征、阳离子择优占位以及电子密度微结构等方面的变化规律，并在此基础上进行LED封装测试，分析LED器件光/色/电各参数及光/热衰减变化，讨论封装工艺各环节对荧光材料的制备要求及发光特性的影响，为实现实验室向产业化过渡提供科学数据和理论指导。

目前，磷灰石结构氧化物材料A10[PO4]6Z2 虽已经被多方报道，但对于阳离子格位、四面体基团及通道离子的替换并没有被系统的归纳与总结，我们希望通过本项目的研究，结合磷灰石结构材料的新的研究进展，探讨磷灰石结构氧化物各组成单元A、[PO4]、Z 进行有选择性的替换时，在晶格对称性、阳离子格位占据、光谱特性等方面的变化，项目执行三年来取得了一系列令人满意的成果，在此我们以几种典型成果为代表对项目的研究情况进行简要阐述：1）开发了一类多元磷灰石结构磷硅酸盐Sr8La2(PO4)3.5(SiO4)2(BO4)0.5BO2、Sr7La3[(PO4)2.5(SiO4)3(BO4)0.5](BO2)、Ca5Y3Na2(PO4)5(SiO4)F2等，研究发现对结构中A和Si/P同时进行离子替换时，通过微调反应温度和反应原料，可以得到一系列多元磷灰石氧化物，这种结构中原晶格被进一步扭曲，对称性发生了变化，当激活离子引入后因其周围的晶体场环境的多样性，发光颜色更加丰富多彩，其中Ce3+-Mn2+或Ce3+-Tb3+共掺杂时可以得到一系列从蓝色到白色的可调节光、在还原气氛下Eu离子被引入后可在体系中同时保持三价和二价两种价态，从而实现多色发光；2）开发了一种新型的磷灰石结构硅酸盐MgY4Si3O13基发光材料，尤其在这种材料中引入Eu3+，发光强度随温度变化非常敏感，有可能用于温敏传感器中；3）在制备目标材料的过程中，我们还发现了几种性能优异的其他结构荧光材料，例如Mg2Al4Si5O18、Sr8Si4O12Cl8、Sr3Ga2O5Cl2等，其中在Mg2Al4Si5O18中发现了基质的自发光现象，并且这种自发光的强度受高温反应时气氛环境剧烈影响，在项目成果中我们详尽的探讨了基质自发光与激活中心的相互作用；4）在尝试目标产物不同制备方法时，我们开发了一种制备过程温和可控的微纳米材料ScPO4，通过调节反应中的温度、pH、有机添加剂、溶剂比等参数，详细研究了微纳米ScPO4的晶体生长机理和光学特性。这所有工作首先为磷灰石结构化合物在制备条件、晶体对称性、发光特性以及热稳定性方面提供了大量的实验数据，其次也发现了很多性能优异或现象新颖的新材料，为发光机理的完善提供了一定的理论参考,也为LED植物灯、白光照明等用荧光材料的选择提供了新的可能，具有重要的现实和科学意义。