离子掺杂YAG材料制备及性能研究调研报告

上海应用技术学院

材料科学与工程学院

毕业论文课题调研报告

课题:离子掺杂YAG材料的制备及性能研究

学生姓名：张家伦

班级/ 学号： 12101411/1210141133 专业：材料物理

指导教师：郭强胜

职称：教授

2016 年 1月 15 日

目录

1.调研课题 (3)

2.课题的目的和意义 (3)

2.1课题目的 (3)

2.2课题意义 (3)

2.3存在的问题分析和预解决办法 (4)

3.研究现状 (6)

4.制备方法 (8)

（1）高温固相合成法 (8)

（2）燃烧合成法 (9)

（3）溶胶凝胶法（高分子网络凝胶法） (10)

溶胶凝胶法流程图： (11)

（4）沉淀法 (12)

①共沉淀法 (12)

②均匀沉淀法 (13)

（5）气相法 (13)

（6）喷雾热解发 (13)

（7）水热热解法 (14)

5.样品检测 (14)

5.1 XRD晶体衍射测试 (14)

5.2扫描电镜显微测试 (14)

5.3透射电镜显微测试 (15)

5.4激光粒度测试 (15)

5.5能谱测试 (15)

5.6荧光光谱测试 (15)

5.7耐热衰减测试 (15)

6.调研结论 (15)

7.参考文献 (15)

1.调研课题

离子掺杂YAG材料制备及性能研究

2.课题的目的和意义

2.1课题目的

YAG: Ce3+荧光粉被广泛使用在发光二极管的发光照明方面。通常此类荧光粉的制备方法是采用高温固相反应法，此类方法虽然己经商业化生产，但是还是存在着许多问题。本课题的目的在于摸索合成Ce：YAG材料的可行性，在此基础上摸索不同条件方法制备荧光粉，优化制备条件，找出最佳制备条件。最终目的是为了合成出生产条件更优化、方法更简洁、能源消耗更少、相关性能更好的荧光粉。2.2课题意义

半导体发光二极管(Light Emitting Diode，LED)器件具有省电、体积小、发热量低、寿命长、响应快、抗震耐冲、可回收、无污染、可平面封装、易开发成轻薄短小产品等优点，已广泛用于交通信号灯、大屏幕显示屏、背光灯、汽车用灯、特种照明和城市照明等领域，被认为是21 世纪最有价值的新光源[1-2]。白光LED 的发光类型主要有：

(1)多基色LED 组合(三基色RGB 合成)；

(2)紫外光LED 芯片或紫外激光二极管(LD)芯片和可被这种紫外光有

效激发而发射红、绿、蓝二基色荧光体有机结合组成白光LED；

(3)ZnSe 白光LED；

(4)白光有机LED(OLED)；

(5)二基色荧光粉转换LED(蓝光LED 芯片＋YAG 荧光粉)。

前两种方法更容易获得颜色一致的白光，但粉体混合较为困难，封装材料在紫外光的照射下容易老化、寿命较短，存在紫外泄漏，多芯片成本较高，ZnSe 白光LED 和白光有机LED(OLED)目前技术还不够成熟，而“蓝光LED 芯片＋YAG 荧光粉”具有结构简单、成本较低、制作工艺相对简单而且工艺比较成熟，所以在实现白光LED 的方式中占有主导地位。[3-4]

然而随着社会的发展和世界各国政策的推动，对大功率白光LED 的需要越来越迫切，所以开发大功率白光LED 已经成为目前研究的热点，而面向大功率白光LED 照明的荧光粉材料却存在下述问题

一直未能得到有效解决。

2.3存在的问题分析和预解决办法

①对荧光粉厚度和颗粒均匀性进行精确控制，即荧光粉的颗粒大小，

形状，颗粒分布及分散性极大的影响着LED的光学均匀性[5-6]。导致出射光色彩不一致，出现偏蓝光或者偏黄光。由于无法对荧光粉的涂敷厚度和形状进行精确控制，导致出射光色彩不一致，出现偏蓝光或者偏黄光[7]。主要原因: 一方面，由于粉体自身特有的电荷吸引力作用导致的颗粒团聚特性很难有效避免;另一方面，荧

光粉与灌封胶的密度不同引起的荧光粉沉淀效应;这两方面因素均会导致荧光粉的分布和分散不均匀性。同时，受荧光粉制备工艺和涂覆封装工艺的影响，目前白光LED普遍存在由于YAG: Ce荧光粉颗粒以及涂覆不均匀导致白光LED色温一致性差，光色一致性差和显色指数不够理想问题。

②树脂、硅胶等封装材料散热慢，加速器件老化，缩短使用寿命，

严重时会导致芯片烧毁，由于荧光粉的物化性能差，随温度上升，荧光粉的量子效率降低，出光减少。原因如下：

1）荧光粉的涂层是有环氧或其他高分子材料制成，散热性能差，温度升高导致荧光粉的激发光谱和芯片的发光谱不匹配，从

而大幅度吸收热量，而不发射光子，导致发光效率降低。

2）高温下，灌封胶和荧光粉的热稳定性存在问题。由于常用荧光粉尺寸在1 um以上，折射率大于或等于1.85，而硅胶折射

率一般在1.5左右。由于两者间折射率的不匹配，以及荧光

粉颗粒尺寸远大于光散射极限30nm，因而在荧光粉颗粒表

面存在光散射，降低了出光效率。

解决方法: 荧光粉的使用寿命受到外界环境及荧光粉自身因素的影响。在荧光粉颗粒的表面包覆铝、硅等无机材料，从而使荧光粉和外界环境隔离开来，可以有效地减少外界环境对荧光粉的影响，提高了荧光粉的稳定性[9-10]，延长荧光粉的使用寿命。用这种表面改性的方法实现提高荧光粉的稳定性，增强荧光粉在高温状态下依然保持良好的光谱。

③缺少红光，导致白光的显色性低，色温高，很难制备出低色温，

高显色指数的白光LED。由于稀土发光离子在粉体中离子间能量传递、转移作用效果微弱，依靠调整稀土离子的掺杂的方法并不能有效调整发射带宽红移，反而会使得LED发光效率下降，而难达到使用指标。而现阶段普遍使用的红色荧光粉为硫化物材料，硫化物荧光粉的最大缺点就是易于潮解、氧化及硫元素析出引起的荧光粉稳定性差，光衰减现象比较大。除了硫化物外，硅酸盐、铝酸盐等红色荧光粉很难达到实际使用的指标。总之，目前红色荧光粉的性能与蓝、绿荧光粉无法相提并论，这也是白光LED发展的一个瓶颈所在。而目前白光LED的发展还需解决光谱中红色成分少的问题，制备出低色温，高显色指数的白光LED。[8]

解决方法是，用Pr3+或Eu3+掺杂改性Ce:YAG荧光粉，以增加红色成分，提高白光LED显色性。

本次研究试图以实验为主尝试解决部分瓶颈问题。

3.研究现状

钇铝石榴石(YAG)的化学式是Y2Al5O12，属于立方晶系，晶格常数是12.005Å。一个晶胞中有8个Y2Al5O12分子，其空间结构如图I。从图中可以看出，02-处于八面体和四面体的顶角位置，Al3+的位置有两种，一种为四面体的中心位置，另一种处于八面体的中心，四面体的每个顶角都和八面体的顶角相连，构成了十二面体的空隙，Y3+处在这些十二面体的中心位置[11]