基于稀土离子为发光中心的硅酸盐玻璃的制备及性能研究

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发光二极管(light emitting diode,LED)具有节能、寿命长、环境友好等优点,在照明、装饰、显示等领域得到广泛的应用。目前,商用白光LED主要是由环氧树脂封装的YAG:Ce荧光粉和蓝光LED芯片组合而成,存在荧光粉涂覆不均匀、散热难、环氧树脂易老化等问题。发光玻璃可以应用于LED发光器件的制备,与传统的荧光粉相比具有一些优势:玻璃的热稳定性好,并且容易加工成所需形状,还可以将发光玻璃做成适当的形状与LED半导体芯片直接封装,而不必采用环氧树脂。另外,发光玻璃的制备过程简单,成本相对较低。在此背景下,本论文对基于稀土离子为发光中心的硅酸盐发光玻璃进行研究。采用高温熔融法制备一系列Pr3+,Tm3+,Tb3+,Dy3+,Mn4+单掺和共掺的硅酸盐发光玻璃。利用X射线衍射(XRD)、红外光谱(FT-IR)、吸收光谱、发射光谱、激发光谱、色坐标(CIE)等手段对发光玻璃进行了研究。具体研究内容和研究结果如下:制备了Pr/Tm掺杂的硅酸盐发光玻璃,主要探究了硅酸盐玻璃的基质组成、玻璃中的晶相、Tm3+对Pr3+发光性能的影响。结果表明:通过调整玻璃的基质组成,可以对Pr3+的发光进行调节;CaF2晶体会在熔体冷却过程形成,组分中的CaO和Al2O3会抑制CaF2晶体形成,而引入Na2O则有利于CaF2晶体形成;Pr3+之间存在Pr3+→Pr3+能量传递,同时CaF2晶体会增强这种能量传递过程;通过改变Tm3+的浓度,可以对Pr3+的发光进行调控。研究了Tb/Dy掺杂的硅酸盐发光玻璃,主要探究在硅酸盐玻璃基质中引入不同浓度的P2O5组分对Tb3+和Dy3+发光性能的影响。结果表明:引入P2O5,玻璃基质中会形成Ca3(PO42和CaZn2(PO42两种晶体;随着P2O5浓度的增加,Tb3+在489和544 nm的发射峰会显著增强;Dy3+在482和576 nm的发射峰强度比例会随着P2O5浓度的改变而变化。研究了Dy/Mn掺杂的硅酸盐发光玻璃,主要采用了两种不同的成型方法(浇注成型和压片成型),探究玻璃结构、晶体类型和Mn4+对Dy3+的发光性能影响。结果表明:浇注成型的硅酸盐玻璃中,会形成Na2Ca3Al2(PO42(SiO42晶体,这种晶体有利于调节Dy3+的发光行为;Mn4+的浓度变化会影响Dy3+的发光性能。制备了Tm/Dy掺杂的硅酸盐发光玻璃,主要探究在玻璃基质中,BaO取代CaO对Tm3+和Dy3+的发光性能影响,以及Tm3+对Dy3+发光性能的影响。结果表明,引入BaO后,玻璃基质在紫外光范围的吸收带会变窄;同时Dy3+的发射光强度得到增强,而Tm3+位于454 nm的发射带发光变化不明显;存在Tm3+→Dy3+的能量传递,并且这种能量传递现象会在BaO存在的玻璃样品中出现明显变化。本文所制备的发光玻璃性能优良,发光性能可控,可作为LED器件的光转换材料,具有潜在的应用前景。
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