半导体照明及无机发光材料

无机发光材料及半导体照明姓名：刘盼盼学号：103115304一、引言二、半导体照明三、无机发光材料四、无机发光材料的制备方法五、稀土掺杂的无机发光材料一、引言白炽灯：光效较低，而且寿命短，易损坏。荧光灯：较白炽灯可以省电，但光效不高，存在电磁污染、使用寿命短、易碎等缺点，其主要组成部分汞还会造成环境污染。HID（高强度气体放电）灯：光效难提高，成本高、维护困难、寿命短、电磁辐射。近几十年来，科研工作者提出新型光源要符合三个条件：高效、节能；材料对环境无害；模拟自然光，显色指数接近100。二、半导体照明半导体照明就是将P型半导体与N型半导体结合，通过空穴与电子的复合产生激子进而激子跃迁发光。发光二极管LED是一种可以将电能转化为光能的固体半导体发光器件。无机发光材料可以与当今固体半导体照明匹配而产生白光。半导体发光原理示意图无机发光材料基质掺杂物激活剂电荷补偿剂等共激活剂敏化剂三、无机发光材料（1）组成基质基质是荧光粉的主要组成部分，主要起禁锢激活离子或吸收能量的作用。由于基质中结构和化学键的不同，对基质中特定发光中心的晶体场环境也不同，可以使某些发光跃迁增强或减弱，还可以使某些发光跃迁产生劈裂。因此，基质对荧光材料的发光性能有重要的影响。激活剂激活剂在荧光粉中的含量非常少，一般只占荧光粉体系的万分之几到百分之几，但激活剂在荧光粉的发光中起着决定性作用。荧光粉中可能只有一种激活离子，也有可能存在两种或多种激活离子。对于只有一种激活离子的荧光粉，激活离子作为发光中心存在，它与基质晶格或同离子之间发生能量传递。敏化剂对于有多激活离子的荧光粉，有的激活离子并不能起到发光中心的作用，但它可以将自己吸收的能量传递给发光中心，改善荧光粉的发光强度和余辉时间；这种激活离子称为敏化剂。激活剂并不是在所有的基质中都可以作为发光中心，只是相对于某种发光基质而言的；敏化剂并不是对所有的激活剂具有敏化作用，也只是相对于某种基质中的某种激活剂而言的。电荷补偿剂由于离子电荷数存在差异，激活离子进入基质晶格后可能会引起电荷的增加后减少，并产生电荷缺陷。为了补偿激活离子进入基质晶格所引起的电荷变化，以有利于激活离子进入基质晶格和不影响激活离子的发光性能，常常在基质晶格中引入电荷补偿剂。例如在钛酸盐基质荧光材料中，常用的电荷补偿剂一般为碱金属阳离子和铝离子等。目前正在研究的无机发光材料的基质可以分为：硫化物体系、氧化物体系、硫氧化物体系、钒酸盐体系、钛酸盐体系、硅酸盐体系、钼酸盐体系等。四、无机发光材料的制备方法常用的制备方法有固相合成法、溶胶-凝胶法、水热和溶剂热法、微波法、燃烧法、沉淀法等。1、溶胶-凝胶法●溶胶-凝胶法是一种新兴的湿化学合成方法，用于各种发光材料的合成当中，而且此法制备的新型或改良的发光材料有的已成功用在光学设备上。可分为水溶液溶胶-凝胶法（溶胶的形成主要由金属阳离子的水解来完成）和醇盐溶胶-凝胶法（醇盐水解和聚合）。●产品的均匀性好，使激活离子能够均匀地分布在基质晶格中，有利于寻找发光体发光最强时激活离子的最低浓度。●烧结温度比高温固相反应温度低，同时烧前已部分形成凝胶，具有大的表面积．利于产物生成。●产品的纯度高，且溶剂在处理过程中易被除去。反应过程及凝胶的微观结构都易于控制，大大减少了支反应的进行。●使带状发射峰窄化，同时提高发光体的相对发光强度和相对量子效率。溶胶-凝胶法与传统的高温固相反应相比的优点：赵文卿等采用溶胶凝胶法制备出了Y3Al5O12：Ce3+黄色荧光粉。制备的荧光粉样晶体结构为钇铝石榴石结构，合成过程的晶化温度为900℃，而传统的高温固相合成法(1400℃以上)。经过扫描电镜的测试，可以看出样品颗粒非常细小，平均粒径可达到5μm,优于市售的荧光粉。制备的YAG黄色荧光粉，激发光谱为双峰结构，在近紫外340nm有一激发峰，在可见光区有一最大激发峰位于455nm处。其发射光谱为在可见光区的宽谱，最强发射峰位于530nm。制备举例2、水热和溶剂热法●水热合成指在一定温度(100—1000℃)和一定压力下(10—100MPa)利用溶液中物质的化学反应所进行的合成。,如果溶剂中含有液态有机物或完全以有机物作为溶剂称为溶剂热。●水热法是一种高效的发光材料合成方法，它主要有合成温度低、条件温和、含氧量小、缺陷不明显、体系稳定等优点。●水热法的缺点在于它只适用于氧化物材料或对水不敏感材料的制备和处理,而一些对水敏感(水解、分解、不稳定体系)的材料,水热法就不适用了。制备举例一罗昔贤等采用高温水热法合成了粒径约50nm的ZnS:AgX射线发光材料，该纳米粒子大部分呈无团聚的近似球形颗粒，在水或酒精中分散良好。水热处理的ZnS：Ag样品激发光谱峰值在347nm，与水热处理的前驱体溶胶相比，位于335nm和387nm的激发峰消失；监控347nm激发，有490nm的蓝绿色发射，同时在470nm和533nm处有两个肩峰。光致发光和X射线发光强度有较大幅度的提高。衍射峰的宽化和强烈的背底说明样品为纳米晶粒，在50℃沉淀的样品比25℃和80℃沉淀的样品有更宽的衍射蜂，说明在50℃沉淀的样品粒度更细。透射电镜显示大多数粒子为近似球形。稀土掺杂无机发光材料稀土元素的原子具有未充满的受到外界屏蔽的4f5d电子组态，因此有丰富的电子能级和长寿命激发态，可以产生多种的辐射吸收的发射，构成广泛的发光和激发材料。稀土化合物的发光基于它们的4f电子在f-f组态之间或f-d组态之间的跃迁。具有未充满的4f壳层的稀土原子或离子的发射从紫外光、可见光到红外光区的各种波长的电磁辐射。稀土离子丰富的能级和4f电子跃迁性能，使稀土成为巨大的发光宝库。稀土掺杂的无机发光材料举例•一例：杨志平等用采用固法在较低温度下合成了Eu激活的CasSiOC12高亮度蓝白色发光材料。发现：改变Eu浓度，可以使样品的发光在蓝白色和绿白色之间变化。当Eu浓度为0．005mol时，样品呈现很亮的蓝白色发光。。Ca~SiOC1：：Eu“可被InGaN管芯产生的近紫外辐射有效激发，是一种性能良好的白光LED用单一基质蓝白色荧光粉。•二例：李盼来等溶胶一凝胶法制备Sr2SiO：Eu3+发光材料，并研究了Sr2SiO：Eu3+材料在618nm的主发射峰强度随Eu3+浓度的变化情况。结果显示，随Eu3+浓度的增大，发射峰强度先增大；当Eu3+浓度为7％时，峰值强度最大；而后随Eu3+浓度的增大，峰值强度减小