白光 LEDs用新型熒光粉的研究進(jìn)展 *

白光LEDs用新型熒光粉的研究進(jìn)展*

李盼來(lái)王志軍張子才

(河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院河北 保定071002)

劉海燕張 坤孫明生

(河北大學(xué)工商學(xué)院河北 保定071000)

*河北大學(xué)工商學(xué)院教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目的支持,項(xiàng)目編號(hào)：JX201330

摘 要：評(píng)述了光轉(zhuǎn)換型白光LEDs用黃色熒光粉、三基色熒光粉及白色熒光粉的研究進(jìn)展，并預(yù)測(cè)了該方向的發(fā)展前景.

關(guān)鍵詞：白光LEDs熒光粉研究進(jìn)展

收稿日期：(2015-09-10)

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)和環(huán)境之間的平衡引起了人們的高度關(guān)注，“低碳節(jié)能”成為能源與環(huán)境的主題.為了節(jié)約能源和減少環(huán)境有害物排放，研究者在多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了探索與研究，如照明、能源等領(lǐng)域.對(duì)照明領(lǐng)域而言，白光LEDs的出現(xiàn)被認(rèn)為是一次新變革.相對(duì)于傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈，白光LEDs不僅具有壽命長(zhǎng)、亮度高等優(yōu)點(diǎn)，更為重要的是擁有節(jié)能、環(huán)保無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)，在照明、顯示和裝飾等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.

1基本原理

白光LED的實(shí)現(xiàn)方式主要有光轉(zhuǎn)換型、多色組合型、多量子阱型和量子點(diǎn)型等[1].基于工藝、成本及技術(shù)現(xiàn)狀等因素考慮，世界各國(guó)研究重點(diǎn)及研究興趣仍集中于光轉(zhuǎn)換型，即通過(guò)熒光粉涂覆LED芯片實(shí)現(xiàn)白光發(fā)射，獲取方式主要有兩種：第一種以發(fā)射藍(lán)光的LED作激發(fā)源，與一種發(fā)射黃光的材料組合，黃光與透射的藍(lán)光產(chǎn)生色混，經(jīng)透鏡作用復(fù)合成白光；或以發(fā)射藍(lán)光的LED作激發(fā)源，與一種能同時(shí)具有綠和紅發(fā)射峰的材料組合，或者與分別發(fā)射紅光和綠光的兩種材料組合，發(fā)出的綠光和紅光與LED未被吸收的剩余藍(lán)光產(chǎn)生色混，經(jīng)透鏡作用復(fù)合成白光；第二種以發(fā)射紫外或近紫外光的LED作激發(fā)源，與分別發(fā)射紅、綠和藍(lán)光的3種材料組合，或者與一種發(fā)射白光的單體材料組合，經(jīng)過(guò)光學(xué)處理，獲得白光LEDs.

2發(fā)展現(xiàn)狀

早期的光轉(zhuǎn)換型白光LEDs主要通過(guò)第一類白光LED合成方式來(lái)實(shí)現(xiàn)白光發(fā)射，即“藍(lán)光InGaN芯片激發(fā)YAG:Ce3+黃色熒光粉”型白光發(fā)射裝置[2].盡管YAG:Ce3+黃色熒光粉的發(fā)光效率較高，但紅色發(fā)光成分不足，使得白光LED的顯色指數(shù)較低.基于此，研究者開(kāi)始尋找適于藍(lán)光LED芯片激發(fā)，發(fā)射綠色光和紅色光的材料，利用三基色合成白光的方式，將芯片與熒光粉混合獲得白光LEDs，這種白光LEDs的顯色性較高，色溫易控，其研究方向主要集中于稀土離子Eu2+或Ce3+摻雜的氮化物和硅酸鹽材料.但是，氮化物和硅酸鹽熒光粉的物相結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在制備過(guò)程中容易出現(xiàn)雜相，同時(shí)其燒結(jié)溫度很高，使得產(chǎn)品粒度較大且粒度分布不均勻.就目前的發(fā)展現(xiàn)狀而言，適于藍(lán)光LED芯片激發(fā)，發(fā)射黃光的熒光材料較少，且發(fā)光性能較好的硅酸鹽和氮化物等的合成溫度較高，材料粒度較大，物相結(jié)構(gòu)不易控制.可見(jiàn)，對(duì)光轉(zhuǎn)換型白光LED用發(fā)光材料新體系的探索，仍是發(fā)光材料領(lǐng)域的前沿課題[2].

近期，隨著LED芯片技術(shù)的發(fā)展，紫外-近紫外芯片的發(fā)光效率獲得了很大的提高，使得以紫外-近紫外芯片作為激發(fā)源，以三基色熒光粉或者單體白色熒光粉作為主體材料，來(lái)獲取白光LEDs成為可能，由于人眼對(duì)紫外-近紫外光不敏感，因此，該類白光LEDs的顏色只由熒光粉來(lái)決定.通常，發(fā)光材料由激活劑和基質(zhì)構(gòu)成，對(duì)于三基色熒光粉而言，涉及的基質(zhì)體系主要是硅酸鹽、氮化物、硼酸鹽、磷酸鹽和鉬酸鹽等[2]，采用的激活劑主要是發(fā)射紅光的稀土離子Eu3+、Sm3+或Eu2+，發(fā)射綠光的Tb3+或Eu2+，以及發(fā)射藍(lán)光的Ce3+或Eu2+.但是，采用三基色熒光粉作為白光LEDs的主體材料時(shí)，熒光粉混合物之間存在顏色再吸收和配比調(diào)控的問(wèn)題，其直接后果就是降低了白光LEDs的流明效率和顯色性，而采用單基質(zhì)白光熒光粉來(lái)實(shí)現(xiàn)白光發(fā)射則可避免這些問(wèn)題，因此，單基質(zhì)白光熒光粉成為當(dāng)前發(fā)光領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).目前，我國(guó)的多家研究機(jī)構(gòu)，如中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)化所的尤洪鵬課題組、林君課題組以及光機(jī)所的張家驊課題組，中山大學(xué)的蘇鏘課題組，蘭州大學(xué)的王育華課題組，中國(guó)科學(xué)院福建物構(gòu)所的陳學(xué)元課題組，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)的夏志國(guó)課題組，以及河北大學(xué)的楊志平和李盼來(lái)課題組等，都在這方面作了大量的研究工作；同期，中國(guó)臺(tái)灣的劉如熹和陳登銘等課題組在這方面也做出了很大的貢獻(xiàn)；此外，韓國(guó)、美國(guó)和日本等國(guó)的研究人員也作了大量的報(bào)道，整體來(lái)看，這些研究結(jié)果在推動(dòng)白光LEDs用單基質(zhì)白色熒光粉發(fā)展方面，都起到了明顯的作用[3].

通過(guò)分析已有的研究結(jié)果，可以看出，單體白色熒光粉涉及的體系主要是銦酸鹽、硅酸鹽、磷酸鹽及硼酸鹽等，在選擇激活劑上則主要采用兩種方式，一種方式是激活離子，例如Dy3+，本身的躍遷發(fā)射就位于紅、綠(黃綠)和藍(lán)色區(qū)域，當(dāng)3個(gè)發(fā)射峰的強(qiáng)度，尤其是藍(lán)、黃發(fā)射峰強(qiáng)度比合適時(shí)，材料即可發(fā)射白色光.但是，Dy3+的發(fā)射為稀土4f-4f躍遷，譜帶較窄，光譜不飽滿，該材料用于照明時(shí)，顯色指數(shù)低，因此，必須改善其發(fā)光性能，才能增強(qiáng)其在白光LEDs領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值.此外，相對(duì)而言，Dy3+摻雜的材料的余輝時(shí)間較長(zhǎng)，限制了該類材料在白光LEDs領(lǐng)域的應(yīng)用.除了上述Dy3+激活的一些單基質(zhì)白色熒光粉，通過(guò)調(diào)控Eu3+的用量，也可以在一些材料中獲得白色光.第二種方式，也是目前采用較多的一種方式，即基于能量傳遞原理，將兩種或兩種以上的激活離子摻入基質(zhì)中，來(lái)獲得白色光，涉及的基質(zhì)主要集中于硅酸鹽、磷酸鹽、鋁酸鹽及硼酸鹽等，激活離子主要有Eu2+/Mn2+，Ce3+/Mn2+，Ce3+/Eu2+，Ce3+/Tb3+，Ce3+/Tb3+/Mn2+和Eu2+/Tb3+/Mn2+，能量傳遞過(guò)程如圖1所示.

圖1　 Ce 3+， Eu 2+， Tb 3+和 Mn 2+的能量傳遞示意圖

3展望

白光LEDs是一種全新的照明光源，白光LEDs用熒光粉亦是該方向的研究重點(diǎn).就目前的發(fā)展現(xiàn)狀而言，藍(lán)光LED激發(fā)型黃色熒光粉仍主要集中于YAG:Ce、硅酸鹽和氮化物，今后的研究工作重點(diǎn)仍舊是改善合成條件，擴(kuò)展光譜范圍.對(duì)于紫外-近紫外基單體白色熒光粉，研究重點(diǎn)將是，在不影響雙摻雜體系發(fā)光效率等的情況下，如何改善雙摻雜體系光譜分布的缺失問(wèn)題，以及如何獲得滿足不同場(chǎng)合需求的白色熒光粉.總之，白光LED用單體白色熒光粉還處于方興未艾的階段，需要改進(jìn)的地方還很多，如合理選擇基質(zhì)組分，激活劑及其配比等，以及如何提高材料的發(fā)光效率，控制材料的顯色性等，需要做進(jìn)一步深入、系統(tǒng)地研究.

參 考 文 獻(xiàn)

1LinChunChe,LiuRu-Shi.Advancesinphosphorsforlight-emittingdiodes,TheJournalofPhysicalChemistryLetters, 2011, 2：1 268～1 277

2YeS,XiaoF,PanYX,MaYY,ZhangQY.Phosphorsinphosphor-convertedwhitelight-emittingdiodes:Recentadvancesinmaterials,techniquesandproperties,MaterialsScienceandEngineeringR, 2010,71:1～34

3ShangMengmeng,LiChunxia,LinJun.Howtoproducewhitelightinasingle-phasehost?ChemicalSocietyReviews, 2014, 43：1 372～1 386