【正文】 晶體的生長裝置 ....................................................................................13 晶體生長原料的準備 ...............................................................................14 Ce:YAG 晶體原料的準備 ..........................................................14 Gd,Ce:YAG 晶體原料的準備 .....................................................14 提拉法生長 YAG晶體的生長流程 ......................................................14 .............................................................................................16 XRD測試用樣品 ......................................................................................16 光譜性能測試用樣品 ...............................................................................16 白光 LED光色參數(shù)測試用樣品 .................................................................16 樣品測試分析方法 .............................................................................................16 X射線衍射法 ..........................................................................................16 晶體的吸收光譜法 ..................................................................................17 晶體的熒光光譜法 ..................................................................................17 白光 LED光色電參數(shù)的測試 ....................................................................18 第三章 Ce:YAG熒光晶體的光電學性能研究 .......................................... 錯誤 !未定義書簽。 LED 以其效率高、功耗小、壽命長、固態(tài)節(jié)能以及綠色環(huán)保等顯著優(yōu)點 , 真正點燃了 綠色照明的光輝 。其中熒光粉是LED實現(xiàn)白光照明的關(guān)鍵材料，面對越來越廣闊的市場需求和研究開發(fā)熱潮，改善熒光材料的性能成了一項緊迫而艱巨的任務(wù)。因此，它被廣泛認可及應用。其中由北京大學、中科院物理所和北京有色院聯(lián)合承擔“十五”白光 LED“ 863”項目。 從長遠來看，隨著全球節(jié)能減排的盛行， LED產(chǎn)業(yè)也會更加升溫。我國進入 LED產(chǎn)業(yè)的企業(yè)將與日俱增，產(chǎn)業(yè)市場競爭將更加激烈。但是這種方法也有自身的弱點 , 它的安裝結(jié)構(gòu)比較復雜 , 各色 LED 的驅(qū)動電壓、發(fā)光效率、配光特性不同 , 需通過電流調(diào)節(jié)紅、綠、藍三基色的強度 , 電路實現(xiàn)上較復雜。最后用于照明的光全部來自熒光材料 , 且要求熒光材料的激發(fā)光譜與紫光發(fā)光二極管的發(fā)射光譜相匹配 , 這樣可以獲得較高的光轉(zhuǎn)換效率 , 熒光材料應為多種不同顏色的熒光材料混合而成。這種方法存在兩個關(guān)鍵部分 : 一個是 Ga N 基藍光發(fā)光二極管 。 另一個是熒光材料 的發(fā)射光譜 , 熒光材料的發(fā)射光譜與藍光發(fā)光二極管的發(fā)射光譜能夠匹配成白光 , 人們選用了 YAG: Ce3+ ( Y3Al5O12: Ce3+)釔鋁石榴石 的簡稱 作為光轉(zhuǎn)換材料。由于產(chǎn)品附加值高、效益顯著 , 已成為稀土高技術(shù)開發(fā)的首要領(lǐng)域。稀土摻雜 YAG熒光 材料的研究是從固體激光晶體的研究開始的 , 研究最多、最成熟的是 N d: YAG激光晶體。玻璃陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)尤其對力學性能、光學性能等起 重要影響。宋國華等采用化學共沉淀法制備 YAG: Ce3+前驅(qū)體，以 B2O3Al2O3SiO2Na2O為玻璃基質(zhì)，在 1300℃煅燒制作出 YAG:Ce3+玻璃陶瓷，封裝成玻璃陶瓷發(fā)光層遠離芯片的白光 LED。 Y A G :C e /+ 玻璃陶瓷 近年來獲得比較成功的發(fā)展 , 其不僅具有了晶體發(fā)光強度高的發(fā)光特性 , 還具有了玻璃的可塑性 .但其在玻璃載體的選擇上具有一定的局限性 , 玻璃本身熔化溫度不能太高 。目前， Ce:YAG高溫閃爍晶體業(yè)已商品化，主要用于掃描電鏡（ SEM）的顯示部件，其生長方法主要為提拉法和溫梯法。單晶的高溫熔化結(jié)晶工藝決定了基質(zhì)材料的相純 度比熒光粉高；發(fā)光稀土 Ce3+離子在晶體中具有規(guī)范的晶體場配位結(jié)構(gòu)，占據(jù)穩(wěn)定 Y3+發(fā)光中心格位，可以形成高的激發(fā)發(fā)射量子效率；受晶體場配位場格位約束， Ce3+離子在 YAG單晶基質(zhì)中價態(tài)穩(wěn)定，不易發(fā)生變化。 Ce:YAG晶體為高溫氧化物材料，晶體熔點 1970℃。采取這兩種方法可輕易增加發(fā)光成分，并形成有效的能量轉(zhuǎn)移及轉(zhuǎn)換，調(diào)諧 LED發(fā)光波段 。片狀單晶熒光材料的使用能夠簡化 LED的封裝 安徽工業(yè)大學 光信息科學與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 12 頁 共 46 頁 本論文的研究目的、內(nèi)容及意義 本論文的研究目的及意義 與常見光源相比較 ， 半導體發(fā)光二極管 (Light Emitting Diode簡稱 LED)器件具有省電 、 體積小 、 發(fā)熱量低 、 壽命長 、 響應快 、 抗震耐沖 、 可回收 、 無污染 、可平面封裝 、 易開發(fā)成輕薄短小產(chǎn)品等優(yōu)點 ， 已廣泛用于交通信號燈 、 大屏幕顯示屏 、 背光燈 、 汽車用燈 、 特種照明和城市照明等領(lǐng)域 。 LED發(fā)展的瓶頸日益凸顯出熒光粉不能滿足現(xiàn)有白光 LED需求及適應未來白光 LED發(fā)展趨勢的問題。實現(xiàn)無熒光粉體結(jié)構(gòu)的 LED白光發(fā)射。 4， 研究藍光芯片激發(fā) Ce:YAG晶片的白光 LED發(fā)光結(jié)構(gòu)，測試白光 LED的發(fā)光光譜，發(fā)光效率，色溫（ Tc），顯色指數(shù) (CRI)，色坐標等光色參數(shù)，制備發(fā)光效率高，光色參數(shù)理想的白光 LED 安徽工業(yè)大學 光信息科學與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 13 頁 共 46 頁 第二章 實驗部分 Ce:YAG 及 Gd,Ce:YAG 晶體的生長 提拉法 Czochralski（ CZ）概述 該方法的創(chuàng)始人是 Czochralski， [12]他的論文發(fā)表于 1918年。將合成好的 晶體 原料裝在坩堝中，并被加熱到原料 的熔點以上，此時，坩堝內(nèi)的原料就熔化為熔 體，在坩堝的上方有一根可以旋轉(zhuǎn)和升降的提 拉桿，下端 裝有 一個 籽晶 夾頭，裝上籽晶。通過外 罩的窗口，可以觀察到生長的情況。 總之，提拉法生長的晶體，其完整性 較 高，而生長 成品 率和晶體 的 尺寸也令人滿意。保溫罩觀察窗口加有拋光的寶石片。然后將灼燒的原料按照方程式 21進行稱量，共 15001600克。反應的化學方程式為： 2125)1(333232323223265)1(33OyOAlYCeGdy C e OOAlOYyxOx Gdyxyx ????????? (25) 其中 x、 y分別為 Ce、 Gd原子的摩爾百分比，我們?nèi)?x=%， y=30%。 （ 2）裝爐：為了保證爐內(nèi)徑向溫度軸對稱分布，裝爐時，需通過在籽晶桿上懸掛一鐵錐來校正并確保感應線圈中心、石英保溫罩中心、坩堝中心及籽晶中心在一條鉛垂線上。我們先將爐膛抽成真空，依次開機械泵和擴散泵抽至爐內(nèi)氣壓約為 103Pa，然后向爐內(nèi)充高純氮氣作為保護氣，氣壓升至約 。待籽晶接近液面時，須烤種 30分鐘左右，降低籽晶與熔體溫差，此時要特別注意籽晶變化，以調(diào)節(jié)加熱功率。晶體放肩到合適尺寸 (約 Φ 45~50mm)后即可進入自動等徑生長階段。待晶體降至室溫之后可打開爐門，取出晶體。 白光 LED 光色參數(shù)測試用樣品 用于電光源性能測試的晶體樣品是沿垂直于晶體生長方向 111切割的。在此重點介紹 XRD物相定性分析。通過將未知物相的衍射花樣與已知物相的衍射花樣相比較，可以逐一鑒定出樣品中的各種物相。掃描步長為 176。在我們的實驗中，測試范圍一般為 1901200nm，光譜分辨率為 1nm。 晶體的熒光光譜法 晶體的熒光光譜包括，激發(fā)光譜和發(fā)射光譜。激發(fā)光譜是利用不同的波長來激發(fā)介質(zhì)，探測某一固定發(fā)射波長處的發(fā)光強度隨激發(fā)（入射）波長的變化。激發(fā)光譜表示對發(fā)光起作用的激發(fā)光的波長范圍，而吸收光譜則只說明材料的吸收，至于吸收以后是否發(fā)光那就不一定了。 在測試過程中根據(jù)激發(fā)和發(fā)射光譜的強弱，需要調(diào)整入射狹縫和出射狹縫的寬度。其測量過程及原理是 [14]： 白光 LED發(fā)出的光束經(jīng)過平面分光鏡變成兩路分開的光束，一路通過光纖進入光譜儀測量其光譜功率分布 P(λ )，進而計算出其他的光譜參數(shù)；另一路進入光度探測器測量其光強。從圖中可以看出，樣品的 X射線衍射峰強度較大，主要的衍射峰與標準卡（ JCPDS No. 330040）的圖譜相吻合，說明摻雜后晶體的結(jié)構(gòu)與純 YAG晶體的結(jié)構(gòu)相同， Ce離子的摻入不會影響 YAG晶體的基本結(jié)構(gòu) 圖 Ce:YAG 晶體的吸收光譜 圖 Ce:YAG晶體的吸收光譜，所測晶體樣品厚度為 1mm。 安徽工業(yè)大學 光信息科學與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 20 頁 共 46 頁 200 300 400 500 600 700 8000 .00 .20 .40 .60 .81 .0 Absorption Coefficient(/cm1)W a v e len g t h / ( n m)Ce:Y AG 圖 Ce:YAG 晶體的吸收光譜 Fig. Absorption spectrum of Ce:YAG Single crystal 安徽工業(yè)大學 光信息科學與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 21 頁 共 46 頁 Ce:YAG 晶體的熒光光譜 圖 Ce:YAG晶體的熒光光譜。以 528nm為監(jiān)測波長測試了 Ce:YAG單晶熒光材料的激發(fā)光譜(a)。 圖 Ce:YAG晶體的熒光光譜 Fluorescence spectra of Ce:YAG crystal Ce:YAG晶片結(jié)構(gòu)白光 LED的光色電性能 我們制備了以 Ce:YAG晶片與 GaN藍光芯片組合而成的白光 LED，并對白光 LED的光色電性能進行了測試，實驗中分別取厚度為 、 、 （以 、 ）的晶片進行測試，并考察了不同的驅(qū)動電流對光色性能的影響，實驗結(jié)果如圖 。 圖 Ce:YAG晶片制備的白光 LED的顯色指數(shù)和發(fā)光效率 Fig. CRI and luminous efficiency of WLEDs with Ce:YAG crystal chips 圖 Ce:YAG晶片結(jié)構(gòu)白光 LED在不同驅(qū)動電流下的相對色溫。從圖中可以觀察到，隨著晶片厚度的增加，剩余的藍光顯著減少，這也使得白光的 色 坐標 向 黃光 區(qū)偏 移 ，由 的 (,) 逐漸 偏移 到 (,)、 (,)，色溫隨之顯著降低。 表 :YAG晶片白光 LED的光電性能參數(shù)。為了改善這種情況，增加白光中的紅光成分，我們探索了在 Ce:YAG晶體中雙摻雜稀土 離子，如 Pr3+， Sm3+， Eu3+， Tb3+等在紅光區(qū)域都有豐富的發(fā)射峰 [2021]期望通過稀土離子豐富的紅光發(fā)射來增加白光中的紅光成分，借此提高顯色性能，降低色溫。 安徽工業(yè)大學 光信息科學與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 25 頁 共 46 頁 圖 Gd,Ce:YAG 晶體的吸收光譜 Fig. Absorption spectrum of Gd,C