【導讀】師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。光LED熒光材料的研究幾乎都集中在熒光粉上。局限性，已不能滿足現(xiàn)有白光LED的需求及適應未來白光LED的發(fā)展趨勢。文提出一種不同的LED制備技術路線，使得白光LED性能得到提高，優(yōu)點明顯。將受到越來越多的重視。白光LED作為第四代照明光源，因具備良。在競相研究開發(fā)。響白光LED的轉換效率、光效、色溫、色坐標及顯色性。然而，受熒光粉自身性能的影響，目前白光LED發(fā)光。本課題提出一種新。效率高,物化性能穩(wěn)定、熱導率高，壽命長、可應用于高功率白光LED,利用LED芯片產(chǎn)生的藍色發(fā)光有效激發(fā)Ce:YAG晶片，形成。實現(xiàn)無熒光粉體結構的LED白光發(fā)

　　

【正文】 光譜儀。其光源為 150 W的 Xe燈。 發(fā)射光譜是固定激發(fā)（入射）波長，測定發(fā)光強度與發(fā)射波長變化的關系。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)光譜要求被測定樣品具有發(fā)光能級，而且只能夠探測到躍遷到該能級的那些高能激發(fā)態(tài)的譜線。因此激發(fā)光譜反映的是介質(zhì)能級結構中上能級的信息。而發(fā)射光譜則是由被激發(fā)的電 子經(jīng)過一段弛豫后的發(fā)射，因此發(fā)射光譜反映的是介質(zhì)能級結構中的下能級的信息。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。但激發(fā)譜和吸收譜在一定程度上具有可比較性。 由于光致熒光光譜是一種表面行為，稱為 Surface Luminescence，通常是在與入射光方向成 90度方向進行探測熒光的，所以對樣品的尺寸狀態(tài)沒有嚴格的要求，但是樣品表面狀態(tài)對光譜具有一定的影響。實驗中所用樣品均為兩面拋光的透明單晶晶片。 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。狹縫越寬，則所測得的熒光光譜強度越強，但分辨率越低，而且也可能由此帶來背景熒光，對樣品的熒光光譜造成干擾。在我們的實驗中一般設定入射縫寬度為1nm，出射縫寬度為 3nm，測試范圍為 220750 nm。 安徽工業(yè)大學 光信息科學與技術專業(yè)本科畢業(yè)設 計 (論文 ) 第 18 頁 共 47 頁 白光 LED 光色電參數(shù)的測試 光色電參數(shù)的測試使用的是杭州遠方光電信息有限公司生產(chǎn)的 PMS50 光色電測試系統(tǒng)進行測試 , PMS50光色電系統(tǒng)使用標準積分球來測量 LED的光通量以及輸出功率、光效、光譜等參數(shù)，光度測試準確度為一級 , 波長精確度為 nm，掃描范圍 380800nm,掃描間隔 5nm。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。測試系統(tǒng)如如圖 。由光纖輸入的光束通過準直鏡反射后，會平行地照在光柵平面上，經(jīng)光柵衍射形成光譜光束，然后經(jīng)收集鏡聚焦后在焦平面上形成光譜帶，置于焦平面上的線陣 CCD探測器的不同像元位置對應不同的波長，而 CCD探測器的每個像元感應的電壓大小對應于該像元接收光強的強弱，通過掃描 CCD探測器各點像元輸出電壓，就可以得到光譜的功率分布 P(λ ) ，然后在計算機中根據(jù) P(λ ) 計算出光譜參數(shù)。 圖 白光 LED 光電參數(shù)測試系統(tǒng)結構簡圖 Fig. Structure diagram of optical and electrical parameter testing system of WLED 安徽工業(yè)大學 光信息科學與技術專業(yè)本科畢業(yè)設 計 (論文 ) 第 19 頁 共 47 頁 第三章 Ce:YAG熒光晶體的光電學性能研究 Ce:YAG 熒光晶體的 XRD 衍射圖譜 圖 Ce:YAG晶體 XRD衍射樣品的 X射線衍射譜圖，其 Ce離子的摻雜濃度為 %。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構與純 YAG晶體的結構相同， Ce離子的摻入不會影響 YAG晶體的基本結構 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。從圖中可以看到在 200500nm范圍內(nèi)有 3個明顯的吸收峰，分別位于 223nm， 340nm，460nm處。這些吸收峰均對應于 Ce3+離子從 4f基態(tài)到 5d激發(fā)態(tài)的能級之間的躍遷，由于 5d能級分裂成 5個子能級， 340nm、 460nm處的吸收分別對應于 2F5/2子能級到5d較低兩個子能級的躍遷吸收，而 223nm處的吸收則對應于 2F5/2到 5d能級較高的3各子能級間的躍遷吸收 [1516]。最強的吸收峰中心位于 460nm處，這與藍光芯片的發(fā)光中心相匹配，也就說明 Ce:YAG單晶熒光材料能夠有效的吸收 GaN藍光 LE芯片發(fā)射的藍光。 安徽工業(yè)大學 光信息科學與技術專業(yè)本科畢業(yè)設 計 (論文 ) 第 20 頁 共 47 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 光信息科學與技術專業(yè)本科畢業(yè)設 計 (論文 ) 第 21 頁 共 47 頁 Ce:YAG 晶體的熒光光譜 圖 Ce:YAG晶體的熒光光譜。由于 Ce:YAG單晶熒光材料對460nm的藍光有強烈的吸收，所以我們以波長為 460nm的單色光為激發(fā)光源測試了Ce:YAG單晶熒光材料的發(fā)射光譜（圖 （ b））以及相對應的激發(fā)光譜（圖 （ a））。另外，我們還以波長為 340nm的單色光為激發(fā)光源，測試了其對應的發(fā)射光譜如圖 (c)。 從圖 ，發(fā)射光譜 (b、 c)是一個發(fā)光中心位于 528nm處的寬峰發(fā)射譜，屬于黃綠光區(qū)，主要對應于 Ce3+離子的 5d→ 4f電子躍遷所發(fā)射的光，屬于 Ce3+離子的特征發(fā)射。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)。從激發(fā)圖譜上可以看到，激發(fā)光譜有兩個明顯的寬激發(fā)峰，中心分別位于340nm和 461nm處，是 Ce3+離子 4f能級到 5d能級電子躍遷產(chǎn)生的吸收，它們分別對應于 Ce3+離子的 2F5/2→ 5d和 2F7/2→ 5d的躍遷 [17]。 由于最強激發(fā)峰和最強發(fā)射峰均與最低 5d態(tài)能級相關，而激發(fā)態(tài) 5d電子的徑向波函數(shù)可以很好的擴展到 5s25p6閉殼層之外，其能級受外場的影響較大，使 5d態(tài)不再是分立的能級，而成為能帶，從這個能帶到 4f能級的躍遷也就成為帶譜，因此，Ce3+激發(fā)和發(fā)射光譜均表現(xiàn)為寬峰 [18]。另一方面由于 Ce3+離子的 4f組態(tài)的2F5/2和 2F7/2基態(tài)能級間的間距約為 2020cm1，因此由 Ce3+離子最低的 5d能級向 4f基態(tài)能級的熒光發(fā)射實際上由兩個相隔約 50nm的發(fā)光峰組成，因為 Ce3+離子同 YAG晶格間具有強的電聲子耦合導致兩個發(fā)光峰部分重疊，所以從發(fā)射光譜上觀察到的 Ce3+:YAG晶體的發(fā)光譜呈現(xiàn)出較寬的發(fā)射帶 [19]。 圖 Ce:YAG晶體的熒光光譜 Fluorescence spectra of Ce:YAG crystal Ce:YAG晶片結構白光 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，實驗結果如圖 。從圖中可以看到，在相同的工作電流下，隨著晶片厚度的增加，其顯色指數(shù)明顯降低。與之相反的是，白光 LED的發(fā)光效率卻隨著樣品厚度的增加而增加， 。此外，隨著驅(qū)安徽工業(yè)大學 光信息科學與技術專業(yè)本科畢業(yè)設 計 (論文 ) 第 22 頁 共 47 頁 動電流的增加，白光 LED的發(fā)光效率顯著降低，而其顯色指數(shù)卻略有增加，電流的改變對發(fā)光效率的影響較大，而對顯色指數(shù)的影響較小。 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晶片結構白光 LED在不同驅(qū)動電流下的相對色溫。從圖中可以看出，在相同的驅(qū)動電流下，隨著晶片厚度的增加，白光 LED的相對色溫顯著降低；而對于同一厚度的晶片樣品，隨著驅(qū)動電流的增加，白光 LED的相對色溫少有升高或不變。其變化趨勢與白光 LED顯色指數(shù)的變化趨勢相似。 圖 Ce:YAG 晶片制備的白光 LED的相對色溫 Fig. Tc of WLEDs with Ce:YAG crystal chips 圖 （ I=350mA）下測試的不同厚度晶片樣品的電致發(fā)光光譜。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。 安徽工業(yè)大學 光信息科學與技術專業(yè)本科畢業(yè)設 計 (論文 ) 第 23 頁 共 47 頁 圖 Ce:YAG 晶片結構白光 LED 的電致發(fā)光光譜（ I=350mA） Fig. Electroluminescence of WLED with Ce:YAG single crystal chips (I=350mA) 對于同一根晶體而言，其內(nèi)部 Ce3+離子發(fā)光中心的濃度是比較均勻的，晶片中的發(fā)光中心濃度也是相同的。晶片越薄其所含有的 Ce3+離子發(fā)光中心就越少，相應的吸收的藍光也少，這樣便有較多的剩余藍光與晶片發(fā)射的黃光混合生成白光，如此使得兩種光的混合比例較為適中，白光的顯色指數(shù)高；但是由于吸收的藍光少，發(fā)射出的黃光也相應較少，發(fā)光效率也就比厚度大的晶片低；反之，晶片越厚 ， Ce3+離子含量越多，對藍光的吸收也隨著增加，發(fā)射的黃光增多，藍光與黃光的配比失衡，造成顯色指數(shù)和相關色溫降低。這也可以從圖 Ce:YAG晶片結構白光 LED的電致發(fā)光光譜中觀察出來。 表 :YAG晶片白光 LED的光電性能參數(shù)。從中可以看出隨著電流增加，其發(fā)光效率明顯降低，但是黃光的發(fā)光效率遠高于藍光芯片的發(fā)光效率，黃光光通量的增加量遠大于藍光光通量的減少量。對于同一只LED，隨著電流的增加，其藍光 LED的發(fā)光效率也顯著降低，白光 LED的發(fā)光效率也隨之降低；而 對于不同厚度晶片的白光 LED，隨著厚度的增加，藍光的吸收也增加，發(fā)射出的黃光的光通量增加遠大于藍光光通量的減少量，因此，晶片厚度越大， Ce3+含量越高，其發(fā)光效率也就越高。 表 藍光 LED 和 Ce:YAG 晶片結構白光 LED 的光色電性能 Tab. Light, color and electrical property of bule LED and WLED used Ce:YAG crystal chips 芯片 工作電流（ I/mA） 光通量（Φ /lm） 發(fā)光效率 (lm/W) 藍光 LED 藍光 LED 藍光 LED 白光 LED 50 250 350 50 從 Ce:YAG晶體的熒光光譜和電致發(fā)光光譜可以看出，發(fā)光光譜在紅光區(qū)域覆蓋面很少，這使得發(fā)射的白光缺少紅色成分，因此顯色指數(shù)不夠理想，而且顯色指數(shù)越高，對應的色溫也越高。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 光信息科學與技術專業(yè)本科畢業(yè)設 計 (論文 ) 第 24 頁 共 47 頁 第四章 Gd,Ce:YAG晶體光學性能的研究 Gd,Ce:YAG 晶體的 XRD 圖譜 圖 Gd,Ce:YAG晶體 X射線衍射譜圖，圖中可以看到，樣品的 X射線衍射峰與標準卡（ JCPDS No. 330040）相一致，說明 Sm， Ce離子的共摻雜并沒有影響到 YAG的晶相結構。 圖 Gd,Ce:YAG 晶體的 XRD 譜 XRD pattern of the :YAG crystal sample Gd,Ce:YAG 晶體的吸收光譜 圖 Gd,Ce:YAG晶體在 200nm800nm范圍內(nèi)的吸收光譜，在圖中200550nm段存在 4個吸收峰，它們同屬于 Ce3+離子 4f→ 5d能級躍遷產(chǎn)生的吸收，與 Ce:YAG晶體吸收有所不同的是在 276nm處出現(xiàn)了一個吸收峰，出次吸收峰的原因可能是由于生長晶體過程中形成的 F心造成的晶體的自吸收 [22]，具體原因尚須后