白光LEDs用新型熒光粉的研究進展*

李盼來王志軍張子才

(河北大學物理科學與技術學院河北 保定071002)

劉海燕張 坤孫明生

(河北大學工商學院河北 保定071000)

*河北大學工商學院教育教學改革研究項目的支持,項目編號：JX201330

摘 要：評述了光轉換型白光LEDs用黃色熒光粉、三基色熒光粉及白色熒光粉的研究進展，并預測了該方向的發(fā)展前景.

關鍵詞：白光LEDs熒光粉研究進展

收稿日期：(2015-09-10)

隨著世界經濟的發(fā)展，經濟和環(huán)境之間的平衡引起了人們的高度關注，“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，研究者在多個領域進行了探索與研究，如照明、能源等領域.對照明領域而言，白光LEDs的出現被認為是一次新變革.相對于傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈，白光LEDs不僅具有壽命長、亮度高等優(yōu)點，更為重要的是擁有節(jié)能、環(huán)保無污染等優(yōu)勢，在照明、顯示和裝飾等領域具有廣闊的應用前景.

1基本原理

白光LED的實現方式主要有光轉換型、多色組合型、多量子阱型和量子點型等[1].基于工藝、成本及技術現狀等因素考慮，世界各國研究重點及研究興趣仍集中于光轉換型，即通過熒光粉涂覆LED芯片實現白光發(fā)射，獲取方式主要有兩種：第一種以發(fā)射藍光的LED作激發(fā)源，與一種發(fā)射黃光的材料組合，黃光與透射的藍光產生色混，經透鏡作用復合成白光；或以發(fā)射藍光的LED作激發(fā)源，與一種能同時具有綠和紅發(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未被吸收的剩余藍光產生色混，經透鏡作用復合成白光；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，經過光學處理，獲得白光LEDs.

2發(fā)展現狀

早期的光轉換型白光LEDs主要通過第一類白光LED合成方式來實現白光發(fā)射，即“藍光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的顯色指數較低.基于此，研究者開始尋找適于藍光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構較復雜，在制備過程中容易出現雜相，同時其燒結溫度很高，使得產品粒度較大且粒度分布不均勻.就目前的發(fā)展現狀而言，適于藍光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，物相結構不易控制.可見，對光轉換型白光LED用發(fā)光材料新體系的探索，仍是發(fā)光材料領域的前沿課題[2].

近期，隨著LED芯片技術的發(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，來獲取白光LEDs成為可能，由于人眼對紫外-近紫外光不敏感，因此，該類白光LEDs的顏色只由熒光粉來決定.通常，發(fā)光材料由激活劑和基質構成，對于三基色熒光粉而言，涉及的基質體系主要是硅酸鹽、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，熒光粉混合物之間存在顏色再吸收和配比調控的問題，其直接后果就是降低了白光LEDs的流明效率和顯色性，而采用單基質白光熒光粉來實現白光發(fā)射則可避免這些問題，因此，單基質白光熒光粉成為當前發(fā)光領域的研究熱點.目前，我國的多家研究機構，如中國科學院長春應化所的尤洪鵬課題組、林君課題組以及光機所的張家驊課題組，中山大學的蘇鏘課題組，蘭州大學的王育華課題組，中國科學院福建物構所的陳學元課題組，中國地質大學的夏志國課題組，以及河北大學的楊志平和李盼來課題組等，都在這方面作了大量的研究工作；同期，中國臺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；此外，韓國、美國和日本等國的研究人員也作了大量的報道，整體來看，這些研究結果在推動白光LEDs用單基質白色熒光粉發(fā)展方面，都起到了明顯的作用[3].

通過分析已有的研究結果，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)和藍色區(qū)域，當3個發(fā)射峰的強度，尤其是藍、黃發(fā)射峰強度比合適時，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，顯色指數低，因此，必須改善其發(fā)光性能，才能增強其在白光LEDs領域的應用價值.此外，相對而言，Dy3+摻雜的材料的余輝時間較長，限制了該類材料在白光LEDs領域的應用.除了上述Dy3+激活的一些單基質白色熒光粉，通過調控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中，來獲得白色光，涉及的基質主要集中于硅酸鹽、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.就目前的發(fā)展現狀而言，藍光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仍舊是改善合成條件，擴展光譜范圍.對于紫外-近紫外基單體白色熒光粉，研究重點將是，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題，以及如何獲得滿足不同場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，需要改進的地方還很多，如合理選擇基質組分，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，需要做進一步深入、系統(tǒng)地研究.

參 考 文 獻

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