发光材料与LED综述

功能材料课报告

发光材料与LED

摘要：发光材料是一种功能材料，广泛应用于我们日常生活中，例如电视机、日光灯、发光二极管等。本文就应用于LED的两种发光方式，光致发光和电致发光，作了简单的介绍和说明，并着重介绍了LED的原理、发展历史、优点以及应用。在未来的几十年里，发光材料将继续快速向前发展，给我们的生活带来更大的变化。

关键词：发光材料；光致发光；电致发光；LED

功能材料是指通过光、电、磁、热、化学、生化等作用后具有特定功能的材料。随着时代的发展，人类将进入一个信息时代。为了解决生产告诉发展以及由此所产生的能源、环境等等一系列问题，更需要用高科技的方法和手段来生产新型的、功能性的产品，以获得各种优良的综合性能。近年来新型功能材料层出不穷，得到了突破性的进展，功能材料正在渗透到现代生活和生产的各个领域。

本文所论述的发光材料即为在不同的能量激发方式下可以发出不同波长的可见光的一种功能材料。

一．概述

物质发光现象大致分为两类：一类是物质受热，产生热辐射而发光；另一类是物体受激发吸收能量而跃迁至激发态，在返回到基态的过程中以光的形式放出能量。热辐射发光最常见的例子是太阳和白炽灯，而后一种发光方式应用也很广泛，比如阴极射线管、日光灯、发光二极管等，如图1。

图1 两种发光方式的典型例子：白炽灯和日光灯

按照激发能量方式的不同，发光材料的分类如下：

1．紫外光、可见光以及红外光激发而发光的为光致发光材料；

2．电子束流激发而发光的为阴极射线发光材料；

3．电场激发而发光的为电致发光材料；

4．X射线辐射而发光的为X射线发光材料；

5．用天然或人造放射性物质辐射而发光的为放射性发光材料。

二．发光原理

以应用最多的稀土发光材料为例，其发光过程为：稀土离子吸收能量，从基态或下能级跃迁至上能级，称为激发态，然后从激发态上能级跃迁至下能级或基态，同时发生光的发射。

稀土的发光和激光性能都是由于稀土的4f电子在不同能级之间的跃迁而产生的。在f组态内不同能级之间的跃迁称为f-f跃迁；在f-d组态之间的跃迁称为f-d跃迁。当稀土离子吸收光子或X射线等能量以后，4f电子可以从能量低的能级跃迁至能量高的能级；当4f电子从高的能级以辐射弛豫的方式跃迁至低能级时发出不同波长的光，两个能级之间的能量差越大，发射的波长越短。

由于很多稀土离子具有丰富的能级和它们的4f电子的跃迁特性，使稀土成为一个巨大的发光宝库，为高新技术提供了很多性能优越的发光材料和激光材料。

在半导体发光器件中，由于要利用半导体达到所需的电气性能，所以，Ⅲ-Ⅳ族化合物就得到了广泛的应用，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等。

下面就后文发光二极管所涉及到的两种发光材料光致发光材料和电致发光材料作简单介绍。

1．光致发光材料

在紫外光、可见光和红外光激发下具有发光现象的材料称为光致发光材料。光致发光材料又可分为长余辉发光材料、荧光灯用荧光粉和上转换发光材料。

目前具有使用价值的主要是紫外光激发的荧光粉，在发光二极管中可见光激发的发光材料也有一些应用。早在20世纪30~40年代，铈、铕和钐等稀土离子就被用作碱土金属硫化物的激活剂，获得了高效长余辉光致发光材料和红外荧光体，并用于隐蔽照明和紧急照明、飞机的仪表盘显示。但是，赋予稀土光致发光材料生命力的还是70年代出现的灯用稀土三基色荧光体及紧凑型荧光灯的发展。这类材料一般用于照明器件，如高压汞灯荧光粉、稀土三基色荧光粉、复印荧光粉等。

2．电致发光材料

电致发光是在交流或直流电场作用下，依靠电场的激发而发光，是将电能转变为光能而不产生热的一种方式。为了将电能从外加电压转变为光辐射，一般都经过三个

步骤:首先是施加电场激发，然后是能量传送到发光中心，最后是发光中心产生光的发射。电致发光分为交流薄膜电致发光、直流粉末电致发光和有机电致发光等，主要应用于发光二极管、激光二极管、薄膜型电致发光显示等领域。

三．工艺与成分

同样是光致发光材料或电致发光材料，要发出不同波长的可见光，必须要用不同的材料配方。所以，发光材料的成分是多种多样的。发光材料的合成方法也很多，主要有：高温固相合成、微波热合成、共沉淀法、燃烧法、高分子凝胶包膜法、气相外延法等。下面仅简单介绍与光致发光和电致发光材料相关的几种方法。

1．高温固相反应法

这是一种经典的合成方法，用该法得到的红粉性能稳定，亮度高。但因粒径较大，应用时须经球磨处理。这种方法已经合成了(Y,Gd)2O3:Eu、YAl3B4O12:RE(RE=Eu,Tb)、BaMgAl10O17:Eu等多种稀土发光材料。

2．均相沉淀法

以尿素为沉淀剂，可以制备出分散性很好的Y2O3:Eu3+纳米颗粒。在制备工艺中，控制溶液均相沉淀反应的时间，就可以合成粒径在43~71nm之间变化的Y2O3:Eu3+颗粒。

3．微波辐射合成法

这是近十年来迅速发展起来的一种新的实验方法。此法合成的产品SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)、BaMgAl10O17:Eu2+、Y2O3:Eu3+等，具有产物相组成单纯、杂质少、发光亮度较高、粉末力度较细等特点。此法合成的红粉，相对发光亮度为同类标准的70%，粒径的中间值为3.90um，分布均匀，晶体为立方晶系。

4．气相外延法

这是一种化学合成的方法，以最常用的GaN为例:一般配成N2、GaCl、NH3、H2、HCl等的混合气体，发生如下反应：

2GaCl+ N2+ H2 = 2GaN+2HCl

现在白光LED应用最多的发光材料是蓝粉InGaN或GaN，波长465nm，黄粉(Y1Gd)3(AlGa)5O12，波长550nm；三基色红粉Y2O2S:Eu3+，波长626nm，蓝粉Sr5(PO4)3Cl:Eu2+,波长447nm，绿粉BaMgAl10O17:Eu2+,Mn2+，波长515nm。另外，采