荧光粉的发光原理、发展历史及应用前景

荧光粉的发光原理、发展历史及应用前景引言荧光粉是一种能将外部能量转变为可见光的发光材料，是照明、显示领域中重要的支撑材料，它是现今生活中极其重要的材料。因此有必要对荧光粉进行深入了解。1.荧光粉的发光原理与热辐射相比，荧光是一种产生具有很少热量的光的过程。适当的材料吸收高能辐射，接着就发出光，所发光子的能量比激发辐射的能量低。当发光材料是固体时，该材料通常称为荧光粉。激发荧光粉的高能辐射可以是电子或具有高速度的离子，也可以是从γ射线到可见光范围的光子。1.1常见照明用荧光粉的发光原理目前,实际用于照明用途的荧光粉,大部分是粉末状的以汞原子发出的紫外线(主峰波长253.17nm)为激发源的光致发光荧光粉,它们是利用氧化物晶体中孤立离子的电子跃迁来发光的。图1-1原子的结构和光的转换1由量子理论可知,孤立的单个原子或离子中具有多个能级,如图1-1(a)所示,当原子或离子中的束缚电子由高能级向低能级跃迁时,会形成自身固有的发光。下面以最简单的氢原子为例进行说明。氢原子中含有1个电子,并且从原子核向外依次为称作1s、2s、3s……的电子轨道,各电子轨道对应不同的能级,氢原子的这1个电子通常位于最内侧的1s轨道上,该电子的状态称为基态。若该电子受到电子碰撞或光等外来能量的刺激(激发),它就会吸收激发能量而向其外侧的轨道如2s轨道迁移。2s轨道的能量高于1s轨道的能量,如图1-1(b)所示,电子的这种状态称为激发态。原子发光就是电子由激发态返回到基态时产生的(见图1-1(c))。这类以光束激发的荧光粉主要用于荧光灯、等离子体显示屏(PDP)和白光LED中。1.2阴极射线管(CRT)用荧光粉的发光原理用于CRT等装置中的荧光粉是以加速的电子束作为激发源的,这称为阴极射线致发光。阴极射线致发光的原理为：射入固体中的电子慢慢失去能量。由于CRT中以几十千伏高压使电子加速发射,当能量消失时会使周围产生电离,从而产生大量新的电子(二次电子)。这些新的电子在固体中移动,当能量消失时,它们使前述孤立离子中的电子或半导体内杂质能级上的电子激发。之后便发出与离子内的能级和施主、受主能级间的能量差相对应的光辐射。1.3电致发光(EL)用荧光粉的发光原理采用有机物时,并非利用原子或离子的孤立的电子能级,而是通过它们结合形成的分子轨道上能级间的电子跃迁发光的。2.荧光粉的发展历史19世纪初，人们在研究放电发光现象的过程中开发了荧光灯和荧光粉。当时的荧光灯使用硅酸锌铍荧光粉，发光效率低并有毒性。早期荧光灯用荧光粉在使用中由于光衰程度不同会造成色偏,而且荧光效率低下。从上世纪50年代开始,出现了卤磷酸盐荧光粉,该系列荧光粉在很长一段时间占据主流。这种荧光粉的成分单一,没有色偏,并且比早期荧光粉的亮度高。到了70年代,使用3种分别在450nm(蓝)、540nm(绿)、610nm(红)附近具有高强度窄发射带的荧光粉混合制成的三基色荧光灯问世。在这以前,为了提高显色性能,一直采用发射接近日光的连续光谱的方法,这势必受到因包含视感效率低的光谱成分而光效下降的制约,针对这一课题,人们运用计算机模拟,发现用与日光光谱完全不同的光源也能实现高显色性,从而研制出这种灯。三基色荧光灯用荧光粉的光效高于100lm/W(单位输入功率产生的光通量),显色指数80以上,高于卤磷酸盐荧光粉,诸多优点使其至今仍然使用广泛。此外,在照明应用中,荧光粉还被应用于高压汞灯。70年代,在高压汞灯中使用Y(P,V)O4∶Eu荧光粉,将灯内与蓝白光同时发出的紫外线吸收并发出红光,大幅度改善了显色2性,这种灯一直沿用至今。3.荧光粉的应用前景现在用于普通照明的主力光源为三基色荧光灯,它大量用作液晶的背光源,目前生产的荧光粉中有一半以上是用于这种灯的荧光粉。表3-1中列出现今用于各式各样的照明、指示装置中的荧光粉材料。表3-1各种照明、显示和辐射检测装置用荧光粉3现今,对于汞254nm辐射激发的荧光粉仅有性能完善方面的研究,而作为化学物质的开发已告一段落。荧光粉的开发热点已转向LED用荧光粉及显示用途的使用其它激发源的荧光粉。在近10年内,BAM作为PDP用蓝色荧光粉,其亮度和寿命特性得到了显著改善,而它作为灯用荧光粉也收到了良好的使用效果。并且,这类荧光粉中的BaMgAl11O17∶Eu2+,Mn2+(绿色)还有利于扩大背光显示器的色再现范围。在气体放电灯方面,正在开发使用稀有气体准分子等制成的灯。根据三基色灯的原理,可以采用靠氙气放电激发的PDP中的荧光粉和针对PDP的具体用途开发的荧光粉。例如,蓝粉用BAM,绿粉用YAl3(BO3)4∶Tb,红粉用基质与绿粉相同但掺Eu的YAl3(BO3)4：Eu。但是,这种气体放电灯在发光强度P效率、寿命等方面存在问题,要将这种灯真正实用化,还必须改良现有的荧光粉或开发新型荧光粉。另一方面,由于大多数荧光粉的发光中心采用稀土族元素,而随着原料出产政策调整,这类材料的价格正在逐渐上涨,需要控制它们的使用量。因此,开发出新型荧光粉替代那些为提高亮度必须大量掺杂Tb的荧光粉,就显得十分必要。结语在照明技术进一步向前迈进的过程中,要想获得更好的光源,不仅限于无机物和有机物,还需要开发出更多新式荧光材料。五彩缤纷的荧光粉材料,在其物质属性趋于多元化的同时,它们将与新型发光设备一起,在我们的生活中越来越普及。4参考文献[1]国本崇(日),荧光粉的发光原理、技术发展史、开发现状及课题[J].中国照明电器,2008,11:33-37.[2]周太明，光源原理与设计（第二版）[M].上海：复旦大学出版社，2012.[3]百度百科_荧光粉[EB/OL].