【正文】 .................19 Ce:YAG 晶體的吸收光譜 ............................................................................19 Ce:YAG 晶體的熒光光譜 ..........................................................................21 第四章 Gd,Ce:YAG 晶體光學性能的研究 ..........................................................................24 Gd,Ce:YAG 晶體的 XRD圖譜 ........................................................................24 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 5 頁 共 46 頁 Gd,Ce:YAG 晶體的吸收光譜 ........................................................................24 Gd,Ce:YAG 晶體的熒光光譜 ........................................................................25 Gd,Ce:YAG 晶片結構白光 LED的光色電性能 ................................................26 Ce:YAG晶體與稀土離子共摻雜 Ce:YAG晶體光色電性能的 對比 ......................27 總結 ..................................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 附錄 1英文原文 ..............................................................................................................33 附錄 2英文譯文 ..............................................................................................................41 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 6 頁 共 46 頁 新型半導體白光 LED照明用熒光材料的制備及性能研究 第一章 緒論 引言 隨著白光 LED 的實現 , 人們看到了 LED 應用于照明的希望。半導 體照明作為新型高效的固體光源 , 具有重大的發(fā)展?jié)摿途薮蟮纳鐣?、經濟意義 , 預計將成為人類照明史上繼白熾燈、熒光燈之后的新一代照明光源 , 目前已得到業(yè)內人士的普遍關注 [12]。這種方法采用藍色 LED 芯片激發(fā)黃色發(fā)射的 YAG： Ce3＋熒光粉而得到白光，由于缺少紅色光譜成分，光源的色彩還原性差，顯色指數低，發(fā)光效率低。目前 針對白光 LED 用熒光粉的研究已經取得 了一定的進展，其種類繁多，各有其特色及優(yōu)缺點，總體而言，還不能達到當今 LED 技術對熒光粉所期待的要求。 LED 產業(yè)現狀 LED 作為一種新型的技術和 光源 ，具有綠色環(huán)保，不含汞、鉛等 重 金屬；抗震性強，耐用；能源節(jié)省等等多種優(yōu)點。完整的LED產業(yè)鏈包括上游外延片、芯片的制作，中游的封裝及下游的應用，此產業(yè)結構龐大，涉及應用領域廣泛 [3]?！熬盼濉焙汀笆濉本腥肟萍肌?863”，“ 973”計劃，給予大筆經費資助。國家科技部擬在“十五”期間，聯(lián)合有關部門推出“半導體照明工程”，投巨資支持啟動，己于 2020 年6月成立協(xié)調領導小組。我國臺灣 In Ga N 藍光芯片安徽工業(yè)大學 光信息科學與技術專業(yè)本科畢業(yè)設計 (論文 ) 第 7 頁 共 46 頁 開發(fā)廠商很多現己崛起，成為世界藍芯片主要供應商，占世界總產量的 23%[4]；無論質和量都在大陸之上，但質量遜于日美。而我國 LED經過 30多年的發(fā)展 ,雖然先后實現了自己生產芯片，器件和外延片，但自產的芯片，和外延片有限，其產品以中低檔為主，產業(yè)化規(guī)模較小，只能滿足國內分的20%30%，大部分高性能 LED和功率 LED產品要靠進口。 LED產業(yè)鏈中， LED外延品和 LED晶片大概占行業(yè)70%的利潤， LED的分裝大概占 10%， LED應用大概占 10%20%， 2020年產業(yè)規(guī)模將達到 5000億美元以上。 白光 LED 的實現方法 ( 1) 三基色 LED 混色法 發(fā)射紅、綠、藍波長的三基色芯片組合封裝在一起 , 通過空間混色的原理 , 按照適當的比例進行匹配 , 使得 3 種顏色的光混合成白光 , 采用這種方法具有效率高和使用靈活的特點。另外它是靠 調節(jié) 3 種顏色發(fā)光二極管的光強來實現白色發(fā)光的 ,因此 , 在調節(jié)發(fā)光顏色上具有相對的靈活性。同時 , 由于不同顏色的 LED 管隨時間推移其老化特性不同 [導致光衰的差異 , 因此 預先調整好的白色發(fā)光由于不同顏色的光衰差異造成使用過程中的變色 , 使混合的白光穩(wěn)定性較差 , 存在溫度特性的差異。 ( 2) 紫外轉換 的方法 以 GaN 基紫光 LED 為基礎光源 , 用 LED 發(fā)出的紫外光激發(fā)熒光材料 , 通過熒光粉實現波長轉換發(fā)出可見光。采用越多顏色的熒光材料進行混合 , 獲得的白光的顯色性越好 , 但是同時也增加了系統(tǒng)的復雜性。即紫外 紅+ 綠 +藍 = 白光 , 稱做 n UV +blue/green/redWhite LED, 這種方法制備的白光 LED 具有成本低、顯色性好的優(yōu)勢 , 但是它也存在不足 , 由于是采用紫外光源作為激發(fā)光源 , 有可能產生紫外污染 . ( 3) 藍光芯片加黃色熒光 材料 的方法 利用波長為 460～ 470nm 的 Ga N 基藍光發(fā)光二極管的發(fā)光作為基礎光源 , 利用 Ga N 基藍光 LED所發(fā)出的 460～ 470nm 的藍光一部分用來激發(fā)熒光粉 , 使熒光粉發(fā)出黃綠色光 , 另一部分透過熒光粉發(fā)射出來 , 熒光粉發(fā)出的黃綠色光與Ga N 基藍光發(fā)光二極管發(fā)光的透射部分混合形成白光 , 即白光 =藍 + 黃的機制 。 一個是用作安徽工業(yè)大學 光信息科學與技術專業(yè)本科畢業(yè)設計 (論文 ) 第 8 頁 共 46 頁 光轉換的熒光材料。熒光材料的選擇主要有兩個必須滿足的條件 , 一個是熒光材料的激發(fā)光譜必須與所選擇的藍光發(fā)光二極管的發(fā)射光譜相匹配 , 目前國際上通常采用波長為 460~470nm的 Ga N 基藍光發(fā)光二極管作為基礎光源 ,這樣就要求熒光材料的激發(fā)光譜在 460~470nm, 這樣可以確保獲得更高的光轉換效率 。由于這種方法采用單顆芯片與單種熒光粉 , 主要采用常用的 YAG: Ce3+ 熒光粉轉換效率高 , 操作上較易實現 , 且沒有紫外成分 , 不會造成紫外輻射污染 , 是目前制作白光 LED 的主要方向 [5]。 熒光材料介紹 熒光粉 自 20世紀 60年代稀土氧化物實現高純化以來 , 稀土熒光粉的研究 相繼出現重大技術突破 , 電視熒光粉、燈用熒光粉、醫(yī)用熒光粉等的開發(fā)、生產與應用取得了驚人的發(fā)展。雖然稀土熒光粉的用量不到稀土消費總量的 4%, 但產值卻占稀土應用市場總銷售額的 41% , 是稀土行業(yè)最熱門的產業(yè)。因此 , 近年來稀土摻雜的 YAG熒光粉得到了泛的研究。隨著各種熒光材料的發(fā)展 , 稀土摻雜 YAG 熒光粉也得到了長足的發(fā)展 , 分別出現了Eu:YAG (紅 )、 Ce: YAG (黃 )、 Tb: YAG (綠 )等各種顏色的熒光粉 , 其性能也得到了很大的提高 , 已在照明、陰離子射線顯示 ( CRT )、白光 LED 等方面得到了廣泛應用 , 在等離子平面顯示 ( PDP)、真空熒光顯示 (VFD )、場發(fā)射顯示 ( FED )等應用方面也在進行相關的研究 [6] 。 陶瓷及玻璃熒光材料 微晶玻璃 , 又叫玻璃陶瓷 ( glass ceramic) [7], 是通過玻璃的受控結晶而制成 ,其性能既決定于組成相的固有屬性 , 又決定于形成的微觀組織。通過改變玻璃陶瓷的微觀結構可以獲得用于制備白光 LED的熒光材料。他們以初始粒徑小于 2μ m 的高純 Al2O Y2O Nd2O3粉末為初始原料，通過高溫固相反應制備出高透明度的 Nd:YAG陶瓷。 該熒光陶瓷的主相為 Y3Al5O12，其對 470 nm 藍光有強烈吸收，并可激發(fā)發(fā)射出 550 nm的黃光。說明其壽命、穩(wěn)定性要遠遠好于傳統(tǒng)方式封裝的白光 LED，該 Ce: YAG熒光陶瓷是一種能夠適用于大功率白光 L E D 封裝的熒光材料。另一方面隨著玻璃中 Y A G 微晶含量的增加以及微晶尺寸的增大 , 透明性能會越來越差 .而單純的熔融玻璃摻雜稀土材料不受高溫的限制 , 并且隨著摻雜濃度的升高 , 玻璃透明性不會發(fā)生明顯的改變 .雖然以這些玻璃成分為基質摻雜發(fā)光的研究獲得了很多成果 , 但是它們本身固有的缺點以及對發(fā)光峰位和發(fā)光帶寬調節(jié)能力的有限性是比較難以克服的 . Ce:YAG 單晶熒光材料 YAG晶體早在上世紀 60年代就被用作激光介質，是一種優(yōu)良的固體激光基質材料和光學襯底，其中 Nd:YAG和 Yb:YAG激光晶體已經廣泛應用于工業(yè)、國防、醫(yī)療以及科研等領域。Ce:YAG具有快衰減（ 80ns）耐高溫、熱力學穩(wěn)定、熱機械性能優(yōu)良、發(fā)光 峰值波長 (530nm)同常用的光電倍增管 (PMT) 和硅光二極管的接收靈敏波長匹配好等特性 , 是優(yōu)異的快衰減閃爍材料，所以常用于極端探測環(huán)境中，如輕粒子探測、中低能量 γ 射線探測、 α 粒子探測、 β 射線探測等領域，另外它還大量的應用于電子探測成像（ SEM）、高分辨率顯微成像熒光屏等領域 [55,5758]。 Ce:YAG 晶體的結構和性能 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 10 頁 共 46 頁 釔鋁石榴石 (Y3Al5O12或 YAG)單晶 體是一種重要的閃爍晶體，多用于激光基質材料以及光學襯底材料。 Ce:YAG晶體的結構 Ce:YAG 晶體的物化性能 物化特性 YAG 組成 Y3Al5O12 晶體結構 立方晶系 晶胞參數 (nm) 莫氏硬度 熔點 (℃ ) 1970 密度 (g/cm3) 熱導率 (W ? cm1 ? K1) 比熱 (cal ? mol1 ? K1) 熱擴散 (cm2 ? s1) 熱膨脹系數 (K1) 106 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 11 頁 共 46 頁 折射率 透光波段 (μ m) ~ 化學性質 不溶于 HNO H2SO HCl 和 HF 中，當溫度大于 250 ℃時溶于 H3PO4 Ce:YAG 單晶熒光材料相對于熒光粉的優(yōu)勢 單晶熒光材料具有高度嚴格的晶體場結構對稱性、統(tǒng)一性和晶體的自范性。 2. 高度均勻性 單晶熒光材料的本征特性決定了稀土發(fā)光離子嚴格處于晶體中價態(tài)及替位原子的穩(wěn)定格位，稀土發(fā)光離子在晶體中的分布有很好的均勻性和一致性。 、熱導率高，壽命長、可應用于高功率白光 LED 單晶熒光材料具有極高的物理和化學穩(wěn)定性，應用在白光 LED，特別是大功率白光 LED中將會產生極大的 LED器件性能（光效、壽命）提升效應。 Ce:YAG晶體具有極高的耐高溫特性和熱穩(wěn)定性。 單晶熒光材料中稀土發(fā)光離子與晶格配位離子電磁場作用強，通過在基質晶體材料中共摻其它發(fā)光離子，形成能量轉移、傳遞或者補充，如在晶體中摻雜有豐富紅光發(fā)射的 Pr， Sm， Eu， Tb， Dy等稀土離子；也可以通過改變基質離子的組分，如用 Gd3+離子替代 Y3+離子，或 用 Ga3+離子取代 Al3+離子等，調整稀土發(fā)光離子的配位場環(huán)