高热稳定性碳改性氮化物荧光粉的结构与发光性能研究
白光LED作为第四代绿色固态照明光源,因其具有光效高、体积小、寿命长、环境友好等优点,已成为照明市场的主流。作为白光LED的核心材料之一,荧光粉直接决定着白光LED器件的光色品质。大功率白光LED技术发展迅猛,在汽车大灯、景观照明、户外大屏幕、交通信号灯、特殊照明等领域都有重要应用。相较于普通白光LED而言,大功率白光LED的工作电流密度更高,由此对荧光粉材料的热稳定性提出更高要求。然而目前商用的氮化物荧光粉仍无法完全满足大功率白光LED的性能需求。因此,进一步提升Eu2+激活的氮化物荧光粉的热稳定性是一项极具理论研究意义和市场应用价值的课题。本论文依据基质掺杂和表面修复两种荧光粉改性策略,以碳作为核心改性材料,提出了三种碳改性方法,实现了 Eu2+激活的氮化物荧光粉热稳定性的有效提升,并针对其荧光粉材料结构及发光性能的影响作用进行机理性分析。基于基质掺杂改性策略,对CaAlSiN3:Eu2+荧光粉的阴离子格位进行C掺杂,设计并合成了 Ca0.992AlSiN3-4/3xCx:0.008Eu2+（x=0,0.06,0.12,0.18,0.24）系列碳氮化物荧光粉,得到的C掺杂样品的热猝灭性能获得了明显提升,在300℃时提升了 8.9%。根据第一性原理计算和XRD精修结果,确认了 C引入CaAlSiN3晶格的优先取代格位;根据晶体场理论,阐述了 C掺杂引起Eu2+周围局域环境变化进而导致发射光谱峰值波长蓝移的现象;利用热致电离模型,解释了热致电离能垒拓宽导致氮化物荧光粉热猝灭性能提升的机理;并且将C掺杂样品与LuAG:Ce3+绿色荧光粉封装成白光LED器件,证实了该荧光粉样品在大功率白光LED领域的可实用性。基于表面修复策略,针对CaAlSiN3:Eu2+荧光粉提出并实现了“表面包覆+热后处理”联合的表面碳修复工艺,有效提升了材料的热稳定性。以尽可能少地损失亮度为原则,确定了表面碳修复工艺的最优工艺参数;并详细阐述了C在整个工艺过程中的去向及其对材料结构及性能的影响作用。经过表面碳修复工艺后,CaAlSiN3:Eu2+荧光粉材料的基体物相基本保持不变,但对荧光粉颗粒表面实现了三重修复作用,包括①表面渗碳作用、②消除表面无定形相、③抑制表面Eu2+氧化。表面渗碳作用有效地增强了材料表面结构刚性,同时使得颗粒表面晶格中的激活剂Eu2+周围配位环境的晶体场劈裂效应减小,导致样品发射光谱峰值波长出现小幅度蓝移;整个工艺有效地抑制了使用过程中荧光粉颗粒表面的激活剂离子及氮化物基质的氧化变质,从而使得CaAlSiN3:Eu2+荧光粉的热稳定性得到提升。基于表面修复策略,针对（Sr,Ca）AlSiN3:Eu2+荧光粉提出并实现了“溶液混合+热后处理”联合的表面有机碳修复工艺,同时提升了材料的发光亮度及热稳定性。综合性能最优的表面有机碳修复样品的发光亮度提升了 2.15%,在300℃时热猝灭性能提升了 8.9%,经过200 h老化实验后样品亮度可达初始值的99.1%,表现出优越的热稳定性。在C以及N2-H2混合气氛的双重还原作用下,表面有机碳修复有效地抑制了荧光粉表面Eu2+的氧化,并且抑制了使用过程中材料表面杂质相的生成,由此解释了材料发光亮度增强及热稳定性提升的机理。
- 作者：
- 田俊行
- 学位授予单位：
- 北京有色金属研究总院
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2020年
- 导师姓名：
- 庄卫东；刘荣辉
- 中图分类号：
- TN312.8；TQ422
- 关键词：
- 氮化物荧光粉；碳改性；热稳定性；基质掺杂；表面修复
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