论文摘要
随着环境与能源问题的日益凸显,节能环保理念已深入到材料设计与生产的各个环节。稀土发光材料作为一种照明与显示领域的重要材料受到广泛关注。近年来,基于弥补蓝光芯片激发荧光粉和紫外芯片激发三基色荧光粉自身不足的考虑,近紫外光激发下多光谱发射的单一基质荧光粉作为一种潜在可实现白光的替代材料成为新的研究热潮。然而,该类荧光粉在实现各掺杂离子发光强度的同步提高方面仍然存在困难,导致发光转换效率不理想。因此,开发具有良好发光性能的单一基质白光发射荧光粉,并研究其发光性能的增强机制具有重要的科学与实际应用价值。鉴于发光材料光谱响应与能带结构的相关性,单一基质稀土发光材料的开发与研究可以通过带隙调控的手段增强其基质敏化效应来提升发光中心间的能量传递效率,以此解决其因能量传递导致发光强度降低的问题。SrZnO2作为一种宽带隙、具有本征宽谱发射特性的半导体材料,其化学组分、内部结构及合成气氛等对带隙调控具有重要作用。因此,本论文利用高温固相法制备了一系列稀土离子掺杂锌酸盐基发光材料,研究了氧缺陷对基质的带隙调控,实现了稀土离子的光谱调制。主要研究工作如下:（1）利用第一性原理计算,分别基于Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）交换关联泛函法和Heyd-Scuseria-Ernzerhof（HSE）杂化泛函法计算了 SrZnO2晶体的能带结构及各元素电子态密度,能带结构形状一致,计算结果表明SrZnO2属于直接带隙半导体,其带隙值为3.64 eV;同时基于PBE法计算了含氧空位的SnZO2超胞的能带结构及各元素电子态密度,结果发现氧空位的引入造成SrZnO2晶体带隙的减小;通过实验制备了 SrZnO2半导体基质材料,利用紫外-可见吸收光谱表征估算其带隙值为3.2 eV,与理论计算结果接近,说明理论模型的建立和计算是正确的,利用荧光光谱表征显示在300～700 nm范围存在一个本征宽谱发射带。（2）合成了稀土离子Eu3+、Dy3+单掺和共掺的锌酸盐基荧光粉SrZnO2:RE3+(RE3+=Eu3+,Dy3+,Eu3+/Dy3+),研究了 Eu3+、Dy3+在 SrZnO2基质晶格中的光谱特性,其猝灭浓度分别为0.02、0.05,均属于电偶极-偶极相互作用;同时研究了不同合成气氛下氧缺陷与晶体带隙调控对红色荧光粉SrZnO2:0.02 Eu3+发光性能的协同作用,结果表明空气气氛更有利于氧缺陷对晶体的带隙调控,从而实现对发光中心的光谱调制。（3）合成了碱土金属离子(Ca2+,Ba2+)掺杂 SrZnO2:RE3+(RE3+=Eu3+,Dy3+)荧光粉,通过晶体带隙调控实现了对稀土离子Eu3+、Dy3+的光谱调制,研究结果发现:该体系中Zn-O键的电荷吸收能与碱土金属离子半径成正比,晶体带隙与之成反比,其发射光谱强度与晶体带隙成反比;Sr0.85Ca0.15ZnO2:0.02 Eu3+荧光粉具有最小的晶体带隙、最大的光谱强度,在396 nm近紫外光激发下获得了色纯度为90.05%的高强度红光发射,在374 nm近紫外光激发下获得了波长范围为475-800 nm的宽谱发射带,这是由于基质敏化效应所致。（4）合成了一系列稀土离子Eu3+、Dy3+共掺碱土金属锌酸盐基荧光粉Sr0.85Ca0.15ZnO2:Eu3+/Dy3+,在近紫外光激发下其发射光谱包括蓝光发射（450～483 nm）、黄光发射（572nm）和红光发射（614nm）三部分,稀土离子Dy3+对Eu3+离子的5D0→7F2跃迁具有敏化作用,通过调整Eu3+/Dy3+掺杂比例获得了近紫外光激发的白色荧光粉Sr0.85Ca0.15ZnO2:0.02Eu3+/0.04Dy3+,这主要源于基质敏化效应和发光中心间的电偶极-偶极相互作用,其色坐标为（0.324,0.338）,相对色温为5885 K,符合商用白光要求。（5）根据实验合成白色荧光粉Sr0.85Ca0.15ZnO2:0.02Eu3+/0.04Dy3+的相关光谱参量,利用TracePro软件通过建立几何模型、设置光学材质、定义光源参数、光线追迹四方面模拟出其白光发射,得出其相关工艺参数。
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摘要ABSTRACT1 绪论 1.1 引言 1.2 白光LED工作原理 1.2.1 蓝光芯片激发白光LED 1.2.2 近紫外芯片激发白光LED 1.3 白光LED用荧光粉 1.3.1 稀土荧光粉 1.3.2 白光LED用荧光粉研究概况 1.4 半导体带隙调控 1.4.1 半导体带隙 1.4.2 带隙调控方法2基荧光粉研究概况'> 1.5 SrZnO2基荧光粉研究概况 1.6 研究目的、内容和技术路线 1.6.1 研究目的 1.6.2 研究内容 1.6.3 技术路线2 锌酸盐基稀土荧光粉的制备与性能表征 2.1 样品的制备 2.1.1 实验原料 2.1.2 实验设备 2.1.3 实验过程 2.2 样品的性能表征 2.2.1 晶体结构与精修 2.2.2 微观形貌的表征 2.2.3 带隙的表征 2.2.4 氧缺陷的表征 2.2.5 荧光光谱 2.2.6 荧光寿命和余辉测试 2.2.7 CIE色度图2半导体基质研究'>3 SrZnO2半导体基质研究2第一性原理计算'> 3.1 SrZnO2第一性原理计算 3.1.1 计算方法2单胞能带结构及态密度分析'> 3.1.2 SrZnO2单胞能带结构及态密度分析2超胞能带结构及态密度分析'> 3.1.3 含氧缺陷的SrZnO2超胞能带结构及态密度分析2粉体的晶体结构及发光性能'> 3.2 SrZnO2粉体的晶体结构及发光性能 3.2.1 晶体结构 3.2.2 光谱分析 3.3 本章小结2:RE3+(RE3+= Eu3+,Dy3+,Eu3+/Dy3+)荧光粉发光性能研究'>4 SrZnO2:RE3+(RE3+= Eu3+,Dy3+,Eu3+/Dy3+)荧光粉发光性能研究2: Eu3+荧光粉的晶体结构及发光性能'> 4.1 SrZnO2: Eu3+荧光粉的晶体结构及发光性能 4.1.1 晶体结构 4.1.2 光谱分析 4.1.3 浓度猝灭机理 4.1.4 合成气氛与带隙调控关联性对发光性能的影响2: Dy3+荧光粉的晶体结构及发光性能'> 4.2 SrZnO2: Dy3+荧光粉的晶体结构及发光性能 4.2.1 晶体结构 4.2.2 光谱分析 4.2.3 浓度猝灭机理2: Eu3+/Dy3+荧光粉的晶体结构及发光性能'> 4.3 SrZnO2: Eu3+/Dy3+荧光粉的晶体结构及发光性能 4.3.1 晶体结构 4.3.2 光谱分析 4.4 CIE色度分析 4.5 本章小结1-xBaxZnO2: RE3+(RE3+=Eu3+,Dy3+)荧光粉发光性能研究'>5 基于带隙调控的Sr1-xBaxZnO2: RE3+(RE3+=Eu3+,Dy3+)荧光粉发光性能研究1-xBaxZnO2: 0.02 Eu3+荧光粉的晶体结构及发光性能'> 5.1 Sr1-xBaxZnO2: 0.02 Eu3+荧光粉的晶体结构及发光性能 5.1.1 晶体结构 5.1.2 光谱分析1-xBaxZnO2: 0.05 Dy3+荧光粉的晶体结构及发光性能'> 5.2 Sr1-xBaxZnO2: 0.05 Dy3+荧光粉的晶体结构及发光性能 5.2.1 晶体结构 5.2.2 光谱分析 5.3 本章小结1-xCaxZnO2: RE3+(RE3+=Eu3+,Dy3+)荧光粉发光性能研究'>6 基于带隙调控的Sr1-xCaxZnO2: RE3+(RE3+=Eu3+,Dy3+)荧光粉发光性能研究1-xCaxZnO2: 0.02 Eu3+荧光粉的晶体结构及发光性能'> 6.1 Sr1-xCaxZnO2: 0.02 Eu3+荧光粉的晶体结构及发光性能 6.1.1 晶体结构 6.1.2 微观形貌 6.1.3 XPS分析 6.1.4 光谱分析 6.1.5 宽谱发射 6.1.6 色度分析1-xCaxZnO2: 0.05Dy3+荧光粉的晶体结构及发光性能'> 6.2 Sr1-xCaxZnO2: 0.05Dy3+荧光粉的晶体结构及发光性能 6.2.1 晶体结构 6.2.2 光谱分析 6.3 基质到稀土离子的能量传递过程 6.4 本章小结0.85Ca0.15ZnO2: Eu3+/Dy3+荧光粉发光性能研究'>7 Sr0.85Ca0.15ZnO2: Eu3+/Dy3+荧光粉发光性能研究0.85Ca0.15ZnO2: 0.02Eu3+/xD3+荧光粉的白光发射'> 7.1 Sr0.85Ca0.15ZnO2: 0.02Eu3+/xD3+荧光粉的白光发射 7.1.1 晶体结构 7.1.2 光谱分析 7.1.3 色度分析 7.2 能量传递机理研究 7.2.1 晶体结构 7.2.2 光谱分析 7.2.3 衰减特性 7.2.4 能量传递机理3+离子到Eu3+离子的能量传递过程'> 7.3 Dy3+离子到Eu3+离子的能量传递过程 7.4 基于TracePro模拟荧光粉的白光发射 7.4.1 LED结构 7.4.2 TracePro软件 7.4.3 模拟仿真 7.5 本章小结8 结论与展望 8.1 结论 8.2 创新点 8.3 研究展望致谢参考文献附录: 基于TracePro软件模拟白光发射步骤攻读学位期间的学术成果
文章来源
类型: 博士论文
作者: 朱小娟
导师: 蒲永平
关键词: 荧光粉,带隙调控,能量传递,模拟仿真
来源: 陕西科技大学
年度: 2019
分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑
专业: 物理学,有机化工
单位: 陕西科技大学
分类号: O482.31;TQ422
DOI: 10.27290/d.cnki.gxbqc.2019.000020
总页数: 119
文件大小: 12523k
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标签：荧光粉论文; 带隙调控论文; 能量传递论文; 模拟仿真论文;
Sr1-xMxZnO2（M=Ca,Ba）基荧光粉带隙调控及发光性能研究
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