CN102130264A - 发光元件及其制造方法、发光方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发光元件及其制造方法、发光方法，发光元件包括发光薄膜和金属层，所述发光薄膜由化学式为Y_2-xT_mxO₃的材料制成，其中，0＜x≤0.2；所述金属层位于所述发光薄膜的表面上，所述金属层具有金属显微结构。制造方法为：首先制备发光薄膜，然后在发光薄膜上形成金属层，再经退火处理使金属层形成金属显微结构，最后冷却即得发光元件。发光元件发光时，对金属层发射阴极射线，在金属层与发光薄膜间形成表面等离子体，使发光薄膜发光。本发明制造方法简单、成本低，得到的发光元件结构简单，有优良的发光均匀性和稳定性，极大地提高了发光效率。

Description

发光元件及其制造方法、发光方法

技术领域

本发明涉及发光材料技术领域，尤其涉及一种发光元件及其制造方法、发光方法。

背景技术

平板显示器一直以来都是人们重点研究的对象，场发射显示器就是其中的一种。自从20世纪60年代Ken Shoulder提出基于场发射阴极阵列(FEAs)阴极射线微型装置的设想，利用FEAs设计和制造平板显示与光源器件的研究就引起了人们极大的兴趣。虽然其工作原理与传统的阴极射线管(CRT)类似，都是通过阴极射线轰击红、绿、蓝三色荧光粉发光以实现成像或照明用途，但是该种器件在亮度、视角、响应时间、工作温度范围、能耗等方面均具有潜在的优势。

目前，场发射器件所采用的荧光粉主要是传统CRT用的硫化物系列荧光粉，硫化物荧光粉在大束流阴极射线的轰击下易发生分解，放出单质硫“毒化”阴极针尖，并生成其他沉淀物覆盖在荧光粉表面，不仅降低了荧光粉的发光效率，而且缩短了场发射器件的使用寿命。氧化物荧光粉化学性能稳定，在大束流阴极射线的轰击下不易分解，有望取代硫化物系列荧光粉用于场发射器件。其中，发蓝光的氧化钇掺铥体系荧光粉具有在低加速电压下发光亮度高、蓝光纯度好等优点，与氧化钇掺铥体系荧光粉相比，氧化钇掺铥体系薄膜具有热稳定性好、均匀性好、与基板之间的附着力强、出气率低等优点。但是，氧化钇掺铥体系薄膜存在发光亮度弱、发光效率低下的问题，极大地限制了这种发光薄膜材料的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种发光均匀性好、发光效率高、稳定性好的采用氧化钇掺铥体系薄膜的发光元件。

本发明同时要解决的技术问题在于，还提供一种发光元件的制造方法。

本发明进一步要解决的技术问题在于，还提供一种发光元件的发光方法。

为了达成上述目的，依据本发明的第一方面，提供一种发光元件，包括发光薄膜和金属层，所述发光薄膜由化学式为Y_2-xTm_xO₃的材料制成，其中，0＜x≤0.2；

所述金属层位于所述发光薄膜的表面上，所述金属层具有金属显微结构。在此，金属显微结构即纳米或微米量级的金属岛状结构(Island Structure)。

在本发明所述的发光元件中，优选地，所述金属显微结构为非周期性结构，所述非周期性结构指由无规则排列的金属晶体构成的金属显微结构。

在本发明所述的发光元件中，优选地，所述金属层由金、银、铝、铜、钛、铁、镍、钴、铬、铂、钯、镁、锌的其中一种或两种或两种以上的合金制成，进一步地，所述金属层由金、银、铝、银铝合金或金铝合金制成。

在本发明所述的发光元件中，所述金属层的厚度为0.5～200nm，优选地，所述金属层的厚度为1～100nm。

在本发明所述的发光元件中，优选地，所述发光元件还包括透光基底，所述发光薄膜形成于透光基底表面。所述透光基底为透明或半透明的透光基底，如石英基片、蓝宝石基片或氧化镁基片。

为了达成上述目的，依据本发明的第二方面，提供一种发光元件的制造方法，包括以下步骤：

①制备发光薄膜，所述发光薄膜由化学式为Y_2-xTm_xO₃的材料制成，其中，0＜x≤0.2；

②在所述发光薄膜表面形成金属层；

③将所述发光薄膜及金属层进行退火处理，使所述金属层形成金属显微结构；

④冷却，即得到发光元件。

在本发明所述的发光元件的制造方法中，优选地，所述步骤③中退火处理的条件为：在真空条件下退火，退火温度为50～650℃，退火时间为5～300min。更优选地，所述步骤③中退火处理的条件为：在真空度小于等于1×10^-3Pa的条件下退火，退火温度为100～500℃，退火时间为15～180min。在此，所述真空度为绝对真空度，数值越小表示真空程度越高。

为了达成上述目的，依据本发明的第三方面，提供一种发光元件的发光方法：对上述的发光元件的金属层发射阴极射线，在金属层与发光薄膜之间形成表面等离子体，使发光薄膜发光。

本发明所述的发光元件中，发光薄膜上设置有一层具有显微结构的金属层，结构简单，且发光薄膜与金属层之间形成了均匀界面，表现出很高的发光均匀性和稳定性。

本发明的制造方法工艺简单、成本低，具有广阔的生产应用前景。

本发明的发光方法中，在阴极射线激发下，该金属层与发光薄膜之间的界面形成表面等离子体。由于表面等离子体效应，发光薄膜的内量子效率大大提高，即发光薄膜的自发辐射增强，从而极大地提高了发光薄膜的发光效率。在发光元件发光时，只需对金属层发射阴极射线，即可在金属层与发光薄膜之间形成表面等离子体，从而大大增强发光薄膜的发光效率，进而提高其发光可靠性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的发光元件在阴极射线激发下的结构示意图；

图2是本发明的发光元件的制造方法的流程图；

图3是本发明的发光元件的发光方法的流程图；

图4是本发明实施例1的发光元件与无金属层的采用氧化钇掺铥体系的发光薄膜的发光光谱对比图，其中，阴极射线激发下的发光光谱测试条件为：电子束激发的加速电压为5KV。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。

图1是本发明的发光元件在阴极射线激发下的结构示意图，如图1所示，本发明的发光元件包括发光薄膜2以及设于发光薄膜2表面的金属层3。进一步地，本发明的发光元件还包括透光基底1，在透光基底1上设有发光薄膜2，发光薄膜2上设有金属层3。透光基底1可以是石英基片、蓝宝石基片或氧化镁基片等透明或半透明的基片。金属层3具有金属显微结构(微纳结构)，进一步地，该金属显微结构是非周期性的结构，即由无规则排列的金属晶体构成的金属显微结构。

金属层3可以由常用的金属制成，最好是由化学稳定性良好的金属制成，例如不易氧化腐蚀的金属，优选为金、银、铝、铜、钛、铁、镍、钴、铬、铂、钯、镁或锌，更优选为由金、银或铝。金属层3还可以由常用金属的合金制成，该合金可以是上述金属两种或两种以上的合金，例如银铝合金或金铝合金，其中，银或金的重量百分比优选为70％以上。金属层3的厚度优选为0.5～200nm，更优选为1～100nm。

本发明的发光元件可广泛应用于各种超高亮度和高速运作的发光器件，例如场发射显示器、场发射光源或大型广告显示牌等。以场发射显示器为例，如图1所示，阳极(图中未示出)相对场发射阴极阵列施加正向电压形成加速电场，阴极(场发射阴极阵列)发射的电子形成电子束打在金属层3上，从而在具有显微结构的金属层3与发光薄膜2之间形成表面等离子体。通过表面等离子体效应，发光薄膜2的内量子效率大大提高，即发光薄膜2的自发辐射增强，进而极大地提高了发光薄膜2的发光效率，解决了传统的稀土掺杂石榴石体系发光薄膜发光效率低的问题。另外，发光薄膜2的整个表面上均形成有金属层3，使金属层3与发光薄膜2之间形成均匀界面，从而提高了发光薄膜2的均匀性和稳定性。

图2是本发明的发光元件的制造方法的流程图，下面结合图2对本发明的发光元件的制造方法进行说明，该制造方法包括如下步骤：制备发光薄膜2、在发光薄膜2表面形成金属层3、退火处理和冷却处理。

在所述的发光元件的制造方法中，制备发光薄膜2的方法具体为：选择合适的透光基底1，对其进行双面抛光处理，然后在透光基底1表面形成发光薄膜2。发光薄膜2在透光基底1表面上形成的方法可以是：磁控溅射、电子束蒸发、化学气相沉积、分子束外延、脉冲激光沉积或喷雾热分解法等。另外，为了获得一定尺寸的发光薄膜2，可对形成有发光薄膜2的透光基底1进行切割、抛光加工，从而形成所需的尺寸。

接下来，金属层3是通过将构成金属层3的金属或合金溅射或蒸镀在发光薄膜2表面而形成的。

随后，经过退火处理使金属层3形成金属显微结构。退火处理的条件为：在真空条件下于50～650℃退火处理5～300min；优选地，退火处理的条件为：真空度小于等于1×10^-3Pa，退火温度为100～500℃，退火时间为15～180min。

退火处理后，冷却至室温，即得本发明的发光元件。

图3是本发明的发光元件的发光方法的流程图。下面结合图1和3，对本发明的发光元件的发光方法进行说明，如图1所示，对金属层3发射阴极射线4，在阴极射线4的激发下，金属层3与发光薄膜2之间形成表面等离子体，从而使发光薄膜2发光。表面等离子体(Surface Plasmon，SP)是一种沿金属和介质界面传播的波，其振幅随离开界面的距离而呈指数衰减。当改变金属表面结构时，表面等离子体激元(Surface plasmon polaritons，SPPs)的性质、色散关系、激发模式、耦合效应等都将产生重大变化。SPPs引发的电磁场，不仅能够限制光波在亚波长尺寸结构中传播，而且能够产生和操控从光频到微波波段的电磁辐射，实现对光传播的主动操控。因此，本发明利用该SPPs的激发性能，增大发光薄膜2的光学态密度和增强其自发辐射速率；而且，由于表面等离子体的耦合效应，发光薄膜2发光时，能与表面等离子体发生耦合共振，从而极大地提高了发光薄膜2的内量子效率，进而提高发光薄膜2的发光效率。

在实际发光应用中，例如用于场发射显示器或照明光源时，在真空环境下，阳极相对场发射阴极阵列施加正向电压形成加速电场，阴极发射出阴极射线4，在阴极射线4的激发下，电子束穿透金属层3激发发光薄膜2发光。在上述过程中，金属层3与发光薄膜2之间的界面形成了表面等离子体，由于表面离子体效应，发光薄膜2的内量子效率大大提高，即发光薄膜2的自发辐射增强，从而极大地提高了发光薄膜2的发光效率。

实施例1

选择大小为1×1cm²双面抛光的石英透光基底，用磁控溅射方法在透光基底上形成Y_1.98Tm_0.02O₃发光薄膜，接着利用磁控溅射设备在发光薄膜表面沉积厚度为2nm的金属银层，然后将其置于真空度为1×10^-3Pa的真空环境下，在300℃的温度下退火处理30min，最后冷却至室温，得到本实施例的发光元件。

图4是本实施例的发光元件与无金属层的采用氧化钇掺铥体系的发光薄膜的发光光谱对比图，其中，阴极射线激发下的发光光谱测试条件为：电子束激发的加速电压为5KV。如图4所示，11为无金属层的发光薄膜的发光光谱，12为本实施例发光元件的发光光谱，可以看到，由于金属层与发光薄膜之间产生了表面等离子体效应，与无金属层的发光薄膜相比，本实施例的发光元件在430～520nm的主峰范围内的发光积分强度是无金属层的发光薄膜的发光积分强度的1.79倍，发光性能显著提高。

实施例2

选择大小为1×1cm²双面抛光的石英透光基底，用电子束蒸发方法在透光基底上形成Y_1.976Tm_0.024O₃发光薄膜，接着利用磁控溅射设备在发光薄膜表面沉积厚度为0.5nm的金属金层，然后将其置于真空度为0.8×10^-3Pa的真空环境下，在200℃的温度下退火处理60min，最后冷却至室温，得到本实施例的发光元件。

实施例3

选择大小为1×1cm²双面抛光的蓝宝石透光基底，用化学气相沉积方法在透光基底上形成Y_1.999Tm_0.001O₃发光薄膜，接着利用磁控溅射设备在发光薄膜表面沉积厚度为200nm的金属铝层，然后将其置于真空度为0.5×10^-3Pa的真空环境下，在500℃的温度下退火处理300min，最后冷却至室温，得到本实施例的发光元件。

实施例4

选择大小为1×1cm²双面抛光的蓝宝石透光基底，用磁控溅射方法在透光基底上形成Y_1.9Tm_0.1O₃发光薄膜，接着利用电子束蒸发设备在发光薄膜表面沉积厚度为100nm的金属镁层，然后将其置于真空度为0.2×10^-3Pa的真空环境下，在650℃的温度下退火处理5min，最后冷却至室温，得到本实施例的发光元件。

实施例5

选择大小为1×1cm²双面抛光的氧化镁透光基底，用分子束外延方法在透光基底上形成Y_1.972Tm_0.028O₃发光薄膜，接着利用电子束蒸发设备在发光薄膜表面沉积厚度为1nm的金属钯层，然后将其置于真空度小于等于1×10^-4Pa的真空环境下，在100℃的温度下退火处理180min，最后冷却至室温，得到本实施例的发光元件。

实施例6

选择大小为1×1cm²双面抛光的氧化镁透光基底，用喷雾热分解方法在透光基底上形成Y_1.97Tm_0.03O₃发光薄膜，接着利用电子束蒸发设备在发光薄膜表面沉积厚度为5nm的金属铂层，然后将其置于真空度为1×10^-4Pa的真空环境下，在450℃的温度下退火处理15min，最后冷却至室温，得到本实施例的发光元件。

实施例7

选择大小为1×1cm²双面抛光的石英透光基底，用脉冲激光沉积方法在透光基底上形成Y_1.99Tm_0.01O₃发光薄膜，接着利用电子束蒸发设备在发光薄膜表面沉积厚度为20nm的金属银铝合金层，其中银和铝的重量百分比分别为80％和20％，然后将其置于真空度为1×10^-4Pa的真空环境下，在380℃的温度下退火处理90min，最后冷却至室温，得到本实施例的发光元件。

实施例8

选择大小为1×1cm²双面抛光的石英透光基底，用磁控溅射方法在透光基底上形成Y_1.986Tm_0.014O₃发光薄膜，接着利用电子束蒸发设备在发光薄膜表面沉积厚度为10nm的金属银铝合金层，其中银和铝的重量百分比分别为90％和10％，然后将其置于真空度为1×10^-4Pa的真空环境下，在180℃的温度下退火处理150min，最后冷却至室温，得到本实施例的发光元件。

实施例9

选择大小为1×1cm²双面抛光的石英透光基底，用磁控溅射方法在透光基底上形成Y_1.965Tm_0.035O₃发光薄膜，接着利用电子束蒸发设备在发光薄膜表面沉积厚度为30nm的金属金铝合金层，其中金和铝的重量百分比分别为80％和20％，然后将其置于真空度为0.8×10^-4Pa的真空环境下，在280℃的温度下退火处理120min，最后冷却至室温，得到本实施例的发光元件。

实施例10

选择大小为1×1cm²双面抛光的石英透光基底，用磁控溅射方法在透光基底上形成Y_1.96Tm_0.04O₃发光薄膜，接着利用电子束蒸发设备在发光薄膜表面沉积厚度为25nm的金属金铝合金层，其中金和铝的重量百分比分别为90％和10％，然后将其置于真空度为0.6×10^-4Pa的真空环境下，在600℃的温度下退火处理10min，最后冷却至室温，得到本实施例的发光元件。

实施例11

选择大小为1×1cm²双面抛光的石英透光基底，用磁控溅射方法在透光基底上形成Y_1.85Tm_0.15O₃发光薄膜，接着利用电子束蒸发设备在发光薄膜表面沉积厚度为120nm的金属铬层，然后将其置于真空度为0.4×10^-4Pa的真空环境下，在250℃的温度下退火处理120min，最后冷却至室温，得到本实施例的发光元件。

实施例12

选择大小为1×1cm²双面抛光的石英透光基底，用脉冲激光沉积方法在透光基底上形成Y_1.8Tm_0.2O₃发光薄膜，接着利用电子束蒸发设备在发光薄膜表面沉积厚度为40nm的金属镍层，然后将其置于真空度为0.2×10^-4Pa的真空环境下，在80℃的温度下退火处理240min，最后冷却至室温，得到本实施例的发光元件。

实施例13

选择大小为1×1cm²双面抛光的石英透光基底，用磁控溅射方法在透光基底上形成Y_1.995Tm_0.005O₃发光薄膜，接着利用电子束蒸发设备在发光薄膜表面沉积厚度为180nm的金属钴层，然后将其置于真空度为1×10^-5Pa的真空环境下，在400℃的温度下退火处理60min，最后冷却至室温，得到本实施例的发光元件。

实施例14

选择大小为1×1cm²双面抛光的石英透光基底，用磁控溅射方法在透光基底上形成Y_1.92Tm_0.08O₃发光薄膜，接着利用电子束蒸发设备在发光薄膜表面沉积厚度为160nm的金属铁层，然后将其置于真空度小于等于0.8×10^-5Pa的真空环境下，在50℃的温度下退火处理300min，最后冷却至室温，得到本实施例的发光元件。

实施例15

选择大小为1×1cm²双面抛光的石英透光基底，用磁控溅射方法在透光基底上形成Y_1.95Tm_0.05O₃发光薄膜，接着利用电子束蒸发设备在发光薄膜表面沉积厚度为80nm的金属钛层，然后将其置于真空度为1×10^-5Pa的真空环境下，在150℃的温度下退火处理120min，最后冷却至室温，得到本实施例的发光元件。

实施例16

选择大小为1×1cm²双面抛光的石英透光基底，用磁控溅射方法在透光基底上形成Y_1.992Tm_0.008O₃发光薄膜，接着利用电子束蒸发设备在发光薄膜表面沉积厚度为50nm的金属铜层，然后将其置于真空度为0.5×10^-5Pa的真空环境下，在200℃的温度下退火处理150min，最后冷却至室温，得到本实施例的发光元件。

实施例17

选择大小为1×1cm²双面抛光的石英透光基底，用磁控溅射方法在透光基底上形成Y_1.982Tm_0.018O₃发光薄膜，接着利用电子束蒸发设备在发光薄膜表面沉积厚度为150nm的金属锌层，然后将其置于真空度为0.2×10^-5Pa的真空环境下，在350℃的温度下退火处理30min，最后冷却至室温，得到本实施例的发光元件。

实施例18

选择大小为1×1cm²双面抛光的石英透光基底，用磁控溅射方法在透光基底上形成Y_1.96Tm_0.04O₃发光薄膜，接着利用电子束蒸发设备在发光薄膜表面沉积厚度为30nm的金属金铝合金层，其中金和铝的重量百分比分别为70％和30％，然后将其置于真空度为1×10^-6Pa的真空环境下，在280℃的温度下退火处理120min，最后冷却至室温，得到本实施例的发光元件。

以上所述仅为本发明的具有代表性的实施例，不以任何方式限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种发光元件，其特征在于，包括发光薄膜和金属层，所述发光薄膜由化学式为Y_2-xTm_xO₃的材料制成，其中，0＜x≤0.2；

所述金属层位于所述发光薄膜的表面上，所述金属层具有金属显微结构。

2.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于，所述金属显微结构为非周期性结构。

3.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于，所述金属层由金、银、铝、铜、钛、铁、镍、钴、铬、铂、钯、镁、锌的其中一种或两种或两种以上的合金制成。

4.根据权利要求3所述的发光元件，其特征在于，所述金属层由金、银、铝、银铝合金或金铝合金制成。

5.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于，所述金属层的厚度为0.5～200nm。

6.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于，所述发光元件还包括透光基底，所述发光薄膜形成于透光基底表面。

7.根据权利要求6所述的发光元件，其特征在于，所述透光基底为石英基片、蓝宝石基片或氧化镁基片。

8.一种发光元件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

①制备发光薄膜，所述发光薄膜由化学式为Y_2-xTm_xO₃的材料制成，其中，0＜x≤0.2；

②在所述发光薄膜表面形成金属层；

③将所述发光薄膜及金属层进行退火处理；

④冷却，即得到发光元件。

9.根据权利要求8所述的发光元件的制造方法，其特征在于，所述步骤③中退火处理的条件为：在真空条件下退火，退火温度为50～650℃，退火时间为5～300min。

10.一种发光元件的发光方法，其特征在于，对权利要求1～7任一所述的发光元件的金属层发射阴极射线，在金属层与发光薄膜之间形成表面等离子体，使发光薄膜发光。

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