基于LED用的CaAlSiN3:Eu2 红色氮化物荧光粉的研究

论文总字数：9338字

摘 要

近年来，白光LED因其优异的发光性质被广泛应用于生产和生活中，但是以蓝色芯片和黄色荧光粉相复合产生的白光光谱中因红光的缺失造成了该白光色温高、显色性能差。于是，将红色荧光粉添加于该白光LED中能够很好地解决这个问题。其中Eu² 激活的碱土氮化物M₂Si₅N₈:Eu(M=Ca,Sr,Ba)相对其他碱土红色氧化物光衰更小、发光效率更高，这使得LED实现了全光谱、高显色、低色温的较为理想的新光源。本论文主要对CaAlSiN₃:Eu² 的气压烧结法制备出的样品进行性能分析，并且总结了样品制备过程中不同参数对样品性能的影响，这对后续研究此荧光粉材料的发光性质提供了有价值的参考。

关键词：荧光粉，CaAlSiN₃:Eu² ，红色氮化物

Abstract: In recent years, white LED has been widely used in production and life because of its excellent luminescent properties. However, due to the lack of red light in the white spectrum produced by the combination of blue chip and yellow phosphor, the white color temperature is high and the color rendering performance is poor.Thus, adding red phosphors to the white LED can solve this problem well.The alkali soil nitride M₂Si₅N₈:Eu(M=Ca,Sr,Ba)activated by Eu² has lower light decay and higher luminescence efficiency than other alkali earth red oxides, which makes LED realize a new ideal light source with full spectrum, high color development and low color temperature.This thesis’aim is to figure out the properties of the samples CaAlSiN₃:Eu² which prepared by Barometric sintering, and the effects of different parameters on the properties of the samples were summarized, which provided a valuable reference for the further study of the luminescent properties of the phosphors.

Keywords: Phosphor,CaAlSiN₃:Eu² ，Red nitrides

目录

1 前言 4

1.1荧光粉的发展历史 4

1.2 LED的白光实现方式 4

2 LED红色荧光粉的种类 5

2.1硅酸盐体荧光粉 5

2.2磷酸盐体系荧光粉 5

2.3 氮化物荧光粉 5

3 红色荧光粉的优点 5

4 荧光粉的发光原理 6

5 碳热还原氧化法制备CaAlSiN₃:Eu² 工艺及发光特性 6

5.1 样品制备方法 6

5.2 各参数对样品性能的影响 6

5.2.1石墨与碳酸钙比例对样品发光性能的影响 6

5.2.2 Eu² 浓度对样品性能影响 7

5.2.3 烧结温度对样品发光性能的影响 8

5.2.4 氮气流量对样品发光性能的影响 9

5.2.5助熔剂对样品结果发光性能的影响 9

6 高温固相法制备CaAlSiN₃:Eu² 步骤及结果 10

6.1 样品制备方法 11

6.2 样品最佳制备条件 11

7 两种制备方法的对比 11

结 论 13

参考文献 14

致 谢 15

1 前言

1.1荧光粉的发展历史

19世纪初，科学家们利用放电光现象的原理发明了荧光灯。由于早期条件限制，当时荧光灯制作的荧光粉基本都是硅酸锌铍。但是硅酸锌铍存在的很大的缺陷，它不仅是发光效率低而且对人体有害，并存在严重的色偏。

20世纪50年代初，卤磷酸盐荧光粉因为其成分单一、发光效率高以及没有色偏等优点，受到了大众的青睐。

20世纪70年代，荷兰科学家范尔斯泰亨利用在610nm、450nm、550nm（红色、蓝色、绿色）的具有高强度和窄发射带的荧光粉，根据光的三基色原理，通过光的符合，发明了三基色荧光灯。解决了长期以来，由于发射近日光灯的连续光谱所导致的光效下降的问题。由三基色荧光粉制造的荧光灯实现了显色指数能够达到80以上，而且荧光效率也高于100lm/w。由此，荧光灯以及荧光粉的发展取得了重大的突破。

近几年来，国际上黄色和绿色荧光粉的封装技术已经十分成熟了。而红色荧光粉由于一直存在着发光效率低、稳定性差的问题，不能够满足三基色荧光粉的需求^[1-3]，在市场这种荧光粉的应用范围也十分有限。而近两年，科研人员发现，稀土制成的氮化物和氮氧化物红色发光材料,性质稳定，且不会分解在空气和水中，其中Eu² 激活的碱土氮化物M₂Si₅N₈:Eu(M=Ca,Sr,Ba)相对其他碱土红色氧化物光衰更小、发光效率更高^[4]，这使得LED成为了能够满足多种要求的较为理想的新光源。

1.2 LED的白光实现方式

从目前的技术来看，白光LED的实现方法主要有以下几种方法。第一种方法是利用YAG:Ce³ 被GaN基芯片所发射的蓝光激发Ce³ 发光，再将其与芯片发出的光相调和，从而形成白光。通常，这种方法被称为荧光粉转换法。然而，由于Ce³ 离子的发射光谱是不连续光谱，导致其较差的颜色质量和发光效率低。第二种称为多芯片法，就是用多种颜色的发光芯片同时发光，依据光的三基色的原理，形成白光。通常采用的芯片是红绿蓝三种颜色的LED芯片。与前面方法较为类似的是在蓝光的LED芯片上，涂抹上可以被蓝光激发的黄色荧光粉，这样利用蓝光与蓝光激发的黄色荧光粉发射的黄光的复合，形成白光。还有的是在蓝光LED芯片上涂抹可以被蓝光激发的绿色和红色荧光粉，通过三种颜色的复合实现白光。这种方法虽然显色性好，但是此类可以被紫光激活的荧光粉多为碱土金属硫化物，性质不稳定，光衰较大。以下是几种白光实现方式的性能对比：

实现方式	优点	缺点
蓝色LED涂抹黄色荧光粉	技术成熟、发光效率高、价格低廉	色温高、显色指数低
蓝色LED涂抹绿色和红色荧光粉	显色性能高、色温低、颜色很少受基片影响	技术不成熟、光转换效率低、低光输出
三基色荧光复合紫色LED芯片	适应性好，显示颜色多、颜色质量高	受各种因素影响较大

表1-1 白光LED的几种实现途径比较

2 LED红色荧光粉的种类

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