摻Eu的α-SiAlON熒光材料研究的第一性原理研究.pdf

1、1996年,日本的日亞公司以GaN藍(lán)光LED(light emitting diode,即發(fā)光二極管)為基礎(chǔ),研制出發(fā)光二極管器件(白光LED)可作為照明設(shè)備使用。白光LED和傳統(tǒng)的自熾燈以及熒光燈照明器件相比具有很多優(yōu)點(diǎn),例如,體積小(小顆粒、組合方便)、低電耗、低熱量損耗(無熱輻射)、壽命長(zhǎng)(理論上大于10萬小時(shí))、響應(yīng)速度快、對(duì)環(huán)境污染小(無污染、可回收),因此掀起了一股研發(fā)白光LED的熱潮。
　　 由半導(dǎo)體材料的發(fā)光原理

2、可知,單一的LED芯片很難發(fā)出連續(xù)光譜的白光。目前一般通過三種方法來實(shí)現(xiàn)白光:(1)三色紅、綠、藍(lán)LED,混合后形成白光,但是技術(shù)和控制系統(tǒng)比較復(fù)雜;(2)藍(lán)色LED和可以被藍(lán)光激發(fā)的發(fā)紅、綠光的熒光粉(或黃色熒光粉)的組合,在這個(gè)過程中LED發(fā)出藍(lán)光,能被熒光粉吸收,并產(chǎn)生紅、綠(黃)光,沒被吸收的藍(lán)光和被熒光粉吸收并激發(fā)產(chǎn)生的紅、綠光或黃光混合產(chǎn)生白光,這樣既避免了紫外線對(duì)眼睛的傷害,還降低了光轉(zhuǎn)換過程的能源損耗;(3)和三基色節(jié)能

3、燈類似,利用近紫外光LED,可有效地激發(fā)紅、綠、藍(lán)三色熒光粉有機(jī)組合產(chǎn)生白光。理論上這種技術(shù)可以調(diào)配成任何色溫的光源,而且其顯色性更好,制備比較容易。
　　 白光LED發(fā)展的關(guān)鍵之一是熒光粉的發(fā)展。傳統(tǒng)熒光粉的基質(zhì)大部分由鋁酸鹽、硫化物、硅酸鹽等構(gòu)成。近幾年,國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了很多以硅基氮化物和氮氧化物為基質(zhì),并摻雜稀土元素的熒光材料的報(bào)道,如M-α-SiAlON:Eu2+(M=Li,Mg,Ca,Y),Sr2Si5N8:Eu2+等。氮

4、化物和氮氧化物相對(duì)于硫化物和氧化物來說,由于氮具有相對(duì)較小的電負(fù)性和較大的電子云膨脹效應(yīng),有效促進(jìn)稀土離子5d能級(jí)在晶體場(chǎng)中的分裂,從而使5d-4f之間的能級(jí)差減小,激發(fā)發(fā)射波長(zhǎng)紅移,與紫外或藍(lán)光LED匹配。同時(shí)可以通過在很大范圍調(diào)節(jié)氮氧比例來控制激發(fā)發(fā)射波長(zhǎng),使熒光粉具有較優(yōu)的可控性,提高白光LED的性能,同時(shí)氮以及氮氧化物還具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和優(yōu)良的高溫發(fā)光性能。
　　 α-SiAlON是最先提出的硅氧氮化物熒光體。在實(shí)驗(yàn)中

5、發(fā)現(xiàn),不同的基質(zhì)金屬填隙離子對(duì)其發(fā)光有影響,如Ca-α-SiAlON的光轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)大于Mg-α-SiAlON,但是通過一般的發(fā)光理論很難給出合理的解釋。本論文的工作就是實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)合密度泛函理論計(jì)算,研究填隙金屬離子影響熒光粉光學(xué)性質(zhì)的機(jī)理。由于Ca和Mg有相同的化合價(jià),為了便于比較,因此我們選擇摻Eu的Ca-α-SiAlON和Mg-α-SiAlON作為研究對(duì)象。
　　 第一章介紹了白光LED的應(yīng)用和白光LED用熒光粉以及用于熒光

6、粉電子結(jié)構(gòu)計(jì)算的第一性原理。
　　 第二章介紹了研究M-α-SiAlON:Eu2+性質(zhì)的手段,有X射線衍射分析(XRD)、掃描電鏡(SEM)、光致發(fā)光譜(PL)以及計(jì)算軟件Materials Studio。XRD用于分析不同方法制備的材料的結(jié)晶質(zhì)量;SEM用于材料的表面形貌的表征;PL譜主要用于研究材料的光學(xué)性質(zhì);計(jì)算軟件Materials Studio是通過構(gòu)建的晶體結(jié)構(gòu)來計(jì)算材料的各種性質(zhì)。
　　 第三章首先用實(shí)驗(yàn)方