CN102191045B - 一种氮氧化物绿色荧光粉材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮氧化物绿色荧光粉材料,所述氮氧化物绿色荧光粉材料的化学通式为(Ba,A)2-xSiy(O,B)zN2+4y-2z:xEu,其中0≤x<1.0,0<y≤1.0,1<z≤2.0,A为Ca或Sr元素,B为F或Cl元素。制备方法采取两步合成氮氧化物绿色荧光粉,包括:第一步,合成氮氧化物绿色荧光粉的前躯体A2SiO4;第二步,在前躯体A2SiO4提供的基质结构中掺杂元素,合成氮氧化物绿色荧光粉材料(Ba,A)2-xSiy(O,B)zN2+4y-2z:xEu。该方法能提高氮氧化物绿色荧光粉亮度,调制氮氧化物绿色荧光粉的发光波长;使其可以通过调节各元素的掺杂量,有效的拓宽氮氧化物绿色荧光粉的色域,使之满足于照明及用于高显色指数的背光源白光LED中。该方法简单易行、适合大规模工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种氮氧化物绿色荧光粉材料及其制备方法,特别涉及一种利用常见的廉价化合物为原材料,采取掺杂Ba、F、Cl元素的方式提高氮氧化物绿色荧光粉亮度及调制氮氧化物荧光粉发光波长的方法。
背景技术
白光发射装置可以通过使用UV光发射二极管(UV LED)作为光源激发三原色(红色、绿色和蓝色)荧光粉,通过使用蓝光LED作为光源激发红色和绿色荧光粉,或者通过使用蓝光LED作为光源激发黄色荧光粉来产生白光。
在这三种方法中,通过使用蓝光LED作为光源激发黄色荧光粉而产生白光的方法由于绿光的强度低而导致差的颜色再现性。
氮氧化物荧光粉由于其独特的激发光谱(激发范围涵盖紫外、近紫外、蓝光甚至绿光)以及优异的发光特性(发射绿、黄、红光;热淬灭小、发光效率高等),材料本身无毒、稳定性好,因此非常适合于应用在白光LED中,特别是蓝色芯片的白光LED的应用。但常规方法的合成条件较为苛刻,并且所得产物晶相纯度较低,导致其亮度稍逊于其他体系,其次该合成产物发射峰位于540nm处,在紫外-蓝色芯片激发下发射蓝绿-黄绿色光,对于要求高显色指数的背光源用白光LED显然略有不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用常见的廉价化合物为原材料,采取掺杂Ba、F、Cl元素的方式提高氮氧化物绿色荧光粉亮度及调制氮氧化物绿色荧光粉发光波长的新方法,该方法简单易行、适合大规模工业化生产。
为达到上述目的,本发明所采取的技术方案是:提供一种氮氧化物绿色荧光粉材料,其特征在于:所述含掺杂元素的氮氧化物绿色荧光粉材料的化学通式为(Ba,A)2-xSiy(O,B)zN2+4y-2z:xEu,其中0≤x<1.0,0<y≤1.0,1<z≤2.0,A为Ca或Sr元素,B为F或Cl元素。
本发明还提供一种氮氧化物绿色荧光粉材料的制备方法,所述制备方法采取两步合成氮氧化物绿色荧光粉,其中:
第一步,合成氮氧化物绿色荧光粉的前躯体A2SiO4:
按照前躯体的化学通式A2SiO4中A∶Si=2∶1的摩尔比称取含有A、Si元素的固体化合物,并将其研磨、混合得到一次混合物,在一次混合物中加入占一次混合物总量2-4wt%的助熔剂,在保护气氛体中下烧结后得到化合物A2SiO4;
第二步,在前躯体A2SiO4提供的基质结构中掺杂元素,合成氮氧化物绿色荧光粉材料(Ba,A)2-xSiy(O,B)zN2+4y-2z:xEu:
根据(Ba,A)2-xSiy(O,B)zN2+4y-2z:xEu中(A,Ba)∶Si∶(O,B)∶N∶Eu=(2-x)∶y∶z∶(2+4y-2z)∶x的摩尔比称取含Ba、Si、N、Eu元素的固体化合物与步骤1)所得化合物A2SiO4,其中,0≤x<1.0,0<y≤1.0,1<z≤2.0;并将其研磨、混合得到二次混合物,在二次混合物中加入占二次混合物总量3-5wt%助熔剂,在保护气氛下烧结反应期间加大气体流量,然后冷却至室温,取出研磨过筛,再经洗涤剂洗涤干燥后即得到绿色荧光粉(Ba,A)2-xSiy(O,B)zN2+4y-2z:xEu。
通过调节各元素的掺杂量,可以调制氮氧化物绿色荧光粉(Ba,A)2-xSiy(O,B)zN2+4y-2z:xEu的发光波长,使其发射波长峰值在510-545nm之间。
所述步骤1)中A为Ca或Sr元素中的一种,A元素通过其碳酸盐、硝酸盐或其氧化物引入体系,Eu元素通过其金属氧化物或硝酸盐引入。助熔剂为SrF2。在保护性气氛条件下烧结是指:在保护性气体N2、N2/H2、NH3中的一种或几种的组合条件下,烧结温度在1100℃-1250℃,烧结时间3-5小时的烧结过程。
所述步骤2)中含B为F或Cl元素中的一种,Ba元素通过其碳酸盐、硝酸盐或其氧化物引入体系,含Si元素的化合物是SiO2,含Eu元素的化合物是Eu2O3。助熔剂为SrF2和BaF2的混合助剂,其中按照重量比为SrF2∶BaF2=1∶1的比例添加。在保护气氛条件下进行烧结是指:在N2∶H2=3∶1气氛下1500℃-1550℃烧结10小时,其中原材料在1300℃进行反应,在此反应期间大气体流量控制气体在40ml/min。
所述步骤2)中氮氧化物荧光粉(Ba,A)2-xSiy(O,B)zN2+4y-2z:xEu合成冷却后进行洗涤,洗涤剂选择异丙醇、乙醇或乙二醇。
本发明新型氮氧化物绿色荧光粉材料及其制备方法利用常见的廉价化合物为原材料,采取掺杂Ba、F、Cl等元素的方式提高氮氧化物绿色荧光粉亮度及调制氮氧化物荧光粉发光波长,该方法采取两步合成氮氧化物绿色荧光粉,其中一步提供稳定的晶体结构,另一步进行有效的元素掺杂。该方法不仅能提高氮氧化物绿色荧光粉亮度,最重要的是可以调制氮氧化物绿色荧光粉的发光波长,使其可以通过调节各元素的掺杂量,使产物发射峰在510-545nm之间进行调节,这样有效的拓宽了氮氧化物绿色荧光粉的色域,使之不仅满足于照明需要,还能有效用于高显色指数的背光源白光LED中。
附图说明
图1为根据本发明的实施例1所得新型的氮氧化物绿色荧光粉材料和其同等条件下不掺杂的氮氧化物绿色荧光粉的发射光谱对比图,激发波长为460nm。
图2为根据本发明的实施例1、实施例2、实施例3、实施例4所得新型的氮氧化物绿色荧光粉材料的发射光谱对比图,其中随着元素Ba和Cl的掺杂比例不同,其发射波长不同,激发波长为460nm。
图3为根据本发明的实施例5和实施例6所得新型的氮氧化物绿色荧光粉材料的发射光谱对比图,其中随着元素Ba和F的掺杂比例不同,其发射波长不同,激发波长为460nm。
图4为根据本发明的实施例4所得新型的氮氧化物绿色荧光粉材料的扫描电子显微镜(SEM)图谱。
具体实施方式
符合本发明的一种新型的氮氧化物绿色荧光粉材料的制备方法,该制备方法采取两步合成氮氧化物绿色荧光粉,其中第一步合成氮氧化物绿色荧光粉的前躯体A2SiO4,其中A为Ca或Sr元素中的一种,该前躯体提供稳定的晶体结构;第二步在前躯体提供的基质结构中掺杂Ba与B元素,B为F或Cl元素,通过调节各元素的掺杂量,可以调制氮氧化物绿色荧光粉(Ba,A)2-xSiy(O,B)zN2+4y-2z:xEu的发光波长,使其发射波长峰值在510-545nm之间。
为进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合实施例,对依据本发明提出的一种新型的氮氧化物绿色荧光粉材料及其制备方法进行详细说明。
实施例1:
第一步,合成氮氧化物绿色荧光粉材料的前躯体Sr2SiO4:
按照化学计量比Sr∶Si=2∶1称取SrCO3147.61g、SiO230.04g,并将其研磨、混合得到一次混合物,在一次混合物中加入占一次混合物总量3wt%的助熔剂SrF2,经混合、充分研磨后放于氧化铝坩埚中,将坩埚置于管式炉中,在保护气体N2/H2中以1250℃温度烧结3小时后冷却得到Sr2SiO4。
第二步,在前躯体Sr2SiO4提供的基质结构中掺杂元素,合成氮氧化物绿色荧光粉材料BaSr0.98SiO1.5ClN:0.02Eu:
根据BaSr0.98SiO1.5ClN:0.02Eu元素的化学计量比(Sr,Ba)∶Si∶(O,Cl)∶N∶Eu=1.98∶1∶2.5∶1∶0.02,称取BaCO32.5g,BaCl22.638g,α-Si3N40.605g及Eu2O30.089g;再将所得Sr2SiO4研磨过筛后,称取3.318g,并将其研磨、混合得到二次混合物,在二次混合物中加入占二次混合物总量5wt%的SrF2和BaF2的混合助剂,其中SrF2∶BaF2=1∶1,上述各成份研磨后放入钼坩埚中,将坩埚移入高温管式炉中,在N2∶H2=3∶1气氛下1500℃烧结10小时,其中原材料在1300℃进行反应,为了保证反应完全及使助熔剂充分作用于合成物,在此反应期间加大气体流量,可以通过气体流量计控制气体在40ml/min,之后冷却至室温,取出研磨过筛,经异丙醇洗涤干燥后即得到绿色荧光粉BaSr0.98SiO1.5ClN:0.02Eu,其发射波长为526nm。
实施例2:
第一步,合成氮氧化物绿色荧光粉材料的前躯体Sr2SiO4:
按照化学计量比Sr∶Si=2∶1称取SrCO3147.61g、SiO230.04g,并将其研磨、混合得到一次混合物,在一次混合物中加入占一次混合物总量2wt%的助熔剂SrF2,经混合、充分研磨后放于氧化铝坩埚中,将坩埚置于管式炉中,在保护气体N2中以1250℃温度烧结3小时后冷却得到Sr2SiO4。
第二步,在前躯体Sr2SiO4提供的基质结构中掺杂元素,合成氮氧化物绿色荧光粉材料BaSr0.98SiOCl2N:0.02Eu:
根据BaSr0.98SiOCl2N:0.02Eu元素的化学计量比(Sr,Ba)∶Si∶(O,Cl)∶N∶Eu=1.98∶1∶3∶1∶0.02,称取BaCl25g,α-Si3N4 0.605g及Eu2O3 0.089g,再将所得Sr2SiO4研磨过筛后,称取3.318g,并将其研磨、混合得到二次混合物,在二次混合物中加入占二次混合物总量4wt%的SrF2和BaF2的混合助剂,其中SrF2∶BaF2=1∶1,上述各成份研磨后放入钼坩埚中,将坩埚移入高温管式炉中,在N2∶H2=3∶1气氛下1500℃烧结10小时,其中原材料在1300℃进行反应,为了保证反应完全及使助熔剂充分作用于合成物,在此反应期间加大气体流量,可以通过气体流量计控制气体在40ml/min,之后冷却至室温,取出研磨过筛,经乙醇洗涤干燥后即得到绿色荧光粉BaSr0.98SiOCl2N:0.02Eu,其发射波长为516nm。
实施例3:
第一步,合成氮氧化物绿色荧光粉材料的前躯体Sr2SiO4:
按照化学计量比Sr∶Si=2∶1称取SrCO3147.61g、SiO230.04g,SrF2,并将其研磨、混合得到一次混合物,在一次混合物中加入占一次混合物总量4wt%的助熔剂SrF2,经混合、充分研磨后放于氧化铝坩埚中,将坩埚置于管式炉中,在保护气体NH3中以1250℃温度烧结3小时后冷却得到Sr2SiO4。
第二步,在前躯体Sr2SiO4提供的基质结构中掺杂元素,合成氮氧化物绿色荧光粉材料BaSr0.98SiO1.7Cl0.6N:0.02Eu:
根据BaSr0.98SiO1.7Cl0.6N:0.02Eu元素的化学计量比(Sr,Ba)∶Si∶(O,Cl)∶N∶Eu=1.98∶1∶2.3∶1∶0.02,称取BaCO3 3.499g,BaCl2 1.583g,α-Si3N40.605g及Eu2O3 0.089g,再将所得Sr2SiO4研磨过筛后,称取3.318g,并将其研磨、混合得到二次混合物,在二次混合物中加入占二次混合物总量3wt%的SrF2和BaF2的混合助剂,其中SrF2∶BaF2=1∶1,上述各成份研磨后放入钼坩埚中,将坩埚移入高温管式炉中,在N2∶H2=3∶1气氛下1500℃烧结10小时,其中原材料在1300℃进行反应,为了保证反应完全及使助熔剂充分作用于合成物,在此反应期间加大气体流量,可以通过气体流量计控制气体在40ml/min,之后冷却至室温,取出研磨过筛,经乙二醇洗涤干燥后即得到绿色荧光粉BaSr0.98SiO1.7Cl0.6N:0.02Eu,其发射波长为530nm。
实施例4:
第一步,合成氮氧化物绿色荧光粉材料的前躯体Sr2SiO4:
按照化学计量比Sr∶Si=2∶1称取SrCO3147.61g、SiO230.04g,并将其研磨、混合得到一次混合物,在一次混合物中加入占一次混合物总量3wt%的助熔剂SrF2,经混合、充分研磨后放于氧化铝坩埚中,将坩埚置于管式炉中,在保护气体中以1250℃温度烧结3小时后冷却得到Sr2SiO4。保护气体可选择保护气体可选择N2、N2/H2、NH3中的一种或几种的组合。
第二步,在前躯体Sr2SiO4提供的基质结构中掺杂元素,合成氮氧化物绿色荧光粉材料BaSr0.98SiO1.8Cl0.5N:0.02Eu:
根据BaSr0.98SiO1.7Cl0.6N:0.02Eu元素的化学计量比(Sr,Ba)∶Si∶(O,Cl)∶N∶Eu=1.98∶1∶2.3∶1∶0.02,称取BaCO3 3.75g,BaCl21.319g,α-Si3N40.605g及Eu2O3 0.089g,再将所得Sr2SiO4研磨过筛后,称取3.318g,并将其研磨、混合得到二次混合物,在二次混合物中加入占二次混合物总量4wt%的SrF2和BaF2的混合助剂,其中SrF2∶BaF2=1∶1,上述各成份研磨后放入钼坩埚中,将坩埚移入高温管式炉中,在N2∶H2=3∶1气氛下1500℃烧结10小时,其中原材料在1300℃进行反应,为了保证反应完全及使助熔剂充分作用于合成物,在此反应期间加大气体流量,可以通过气体流量计控制气体在40ml/min,之后冷却至室温,取出研磨过筛,经异丙醇洗涤干燥后即得到绿色荧光粉BaSr0.98SiO1.8Cl0.5N:0.02Eu,其发射波长为537nm。
实施例5:
第一步,合成氮氧化物绿色荧光粉材料的前躯体Ca2SiO4:
按照化学计量比Ca∶Si=2∶1称取CaCO3100g、SiO230.017g,并将其研磨、混合得到一次混合物,在一次混合物中加入占一次混合物总量3wt%的助熔剂CaF2,经混合、充分研磨后放于氧化铝坩埚中,将坩埚置于管式炉中,在N2气下1100℃烧结5小时后冷却得到Ca2SiO4。
第二步,在前躯体Ca2SiO4提供的基质结构中掺杂元素,合成氮氧化物绿色荧光粉材料BaCa0.98SiO1.5FN:0.02Eu:
根据BaCa0.98SiO1.5FN:0.02Eu元素的化学计量比(Ca,Ba)∶Si∶(O,F)∶N∶Eu=1.98∶1∶2.5∶1∶0.02,称取BaCO32.5g,BaF21.64g,α-Si3N40.605g及Eu2O3 0.089g,再将所得Ca2SiO4研磨过筛后,称取2.138g,并将其研磨、混合得到二次混合物,在二次混合物中加入占二次混合物总量5wt%的SrF2和CaF2的混合助剂,其中SrF2∶CaF2=1∶1,上述各成份研磨后放入钼坩埚中,将坩埚移入高温管式炉中,在N2∶H2=3∶1气氛下1550℃烧结10小时,其中原材料在1300℃进行反应,为了保证反应完全及使助熔剂充分作用于合成物,在此反应期间加大气体流量,可以通过气体流量计控制气体在40ml/min,之后冷却至室温,取出研磨过筛,经异丙醇洗涤干燥后即得到绿色荧光粉BaCa0.98SiO1.5FN:0.02Eu,其发射波长为542nm。
实施例6:
第一步,合成氮氧化物绿色荧光粉材料的前躯体Ca2SiO4:
按照化学计量比Ca∶Si=2∶1称取CaO50g、SiO226.784g,并将其研磨、混合得到一次混合物,在一次混合物中加入占一次混合物总量3wt%的助熔剂CaF2,经混合、充分研磨后放于氧化铝坩埚中,将坩埚置于管式炉中,在N2气下1100℃烧结5小时后冷却得到Ca2SiO4。
第二步,在前躯体Ca2SiO4提供的基质结构中掺杂元素,合成氮氧化物绿色荧光粉材料BaCa0.98SiOF2N:0.02Eu:
根据BaCa0.98SiOF2N:0.02Eu元素的化学计量比(Ca,Ba)∶Si∶(O,F)∶N∶Eu=1.98∶1∶3∶1∶0.02,称取BaF24.433g,α-Si3N40.605g及Eu2O30.089g,再将所得Ca2SiO4研磨过筛后,称取2.138g,并将其研磨、混合得到二次混合物,在二次混合物中加入占二次混合物总量4wt%的SrF2和CaF2的混合助剂,其中SrF2∶CaF2=1∶1,上述各成份研磨后放入钼坩埚中,将坩埚移入高温管式炉中,在N2∶H2=3∶1气氛下1550℃烧结10小时,其中原材料在1300℃进行反应,为了保证反应完全及使助熔剂充分作用于合成物,在此反应期间加大气体流量,可以通过气体流量计控制气体在40ml/min,之后冷却至室温,取出研磨过筛,经异丙醇洗涤干燥后即得到绿色荧光粉BaCa0.98SiOF2N:0.02Eu,其发射波长为537nm。
下面通过附图说明本发明制备方法的有益效果:
图1为根据本发明的实施例1所得新型的氮氧化物绿色荧光粉材料和其同等条件下不掺杂的氮氧化物绿色荧光粉的发射光谱对比图,激发波长为460nm。
图1中,虚线部分代表氮氧化物绿粉材料,直线部分代表掺杂元素的氮氧化物绿粉材料。
图2为根据本发明的实施例1、实施例2、实施例3、实施例4所得新型的氮氧化物绿色荧光粉材料的发射光谱对比图,其中随着元素Ba和Cl的掺杂比例不同,其发射波长不同,激发波长为460nm。
图2中,Ba∶Cl=1∶1-实施例1所得新型氮氧化物绿色荧光粉材料的发射光谱图;
Ba∶Cl=1∶2-实施例2所得新型氮氧化物绿色荧光粉材料的发射光谱图;
Ba∶Cl=5∶3-实施例3所得新型氮氧化物绿色荧光粉材料的发射光谱图;
Ba∶Cl=2∶1-实施例4所得新型氮氧化物绿色荧光粉材料的发射光谱图。
图3为根据本发明的实施例5和实施例6所得新型的氮氧化物绿色荧光粉材料的发射光谱对比图,其中随着元素Ba和F的掺杂比例不同,其发射波长不同,激发波长为460nm。
图3中,Ba∶F=1∶1-实施例5所得新型氮氧化物绿色荧光粉材料的发射光谱图;
Ba∶F=1∶2-实施例6所得新型氮氧化物绿色荧光粉材料的发射光谱图。
图4(a)和图4(b)为根据本发明的实施例4所得新型的氮氧化物绿色荧光粉材料的扫描电子显微镜(SEM)图谱。
如上图所示,经本发明采取掺杂Ba、F、Cl元素的方式,大大提高了氮氧化物绿色荧光粉亮度及调制氮氧化物荧光粉发光波长;有效的拓宽了氮氧化物绿色荧光粉的色域,使之不仅满足于照明需要,还能有效用于高显色指数的背光源白光LED中。
Claims (6)
1.一种氮氧化物绿色荧光粉材料的制备方法,其特征在于,该制备方法采取两步合成氮氧化物绿色荧光粉,包括下述步骤:
第一步,合成氮氧化物绿色荧光粉的前躯体A2SiO4:
按照前躯体的化学通式A2SiO4中A:Si=2:1的摩尔比称取含有A、Si元素的固体化合物,并将其研磨、混合得到一次混合物,在一次混合物中加入占一次混合物总量2-4wt%的助熔剂,在保护气氛体中下烧结后得到化合物A2SiO4;
其中,A为Ca或Sr元素中的一种,A元素通过其碳酸盐、硝酸盐或其氧化物引入体系,Si元素的固体化合物是SiO2;
第二步,在前躯体A2SiO4提供的基质结构中掺杂元素,合成氮氧化物绿色荧光粉材料(Ba,A)2-xSiy(O,B)zN2+4y-2z:xEu:
根据(Ba,A)2-xSiy(O,B)zN2+4y-2z:xEu中(A,Ba):Si:(O,B):N:Eu=(2-x):y:z:(2+4y-2z):x的摩尔比称取含Ba、B、Si、N、Eu元素的固体化合物与第一步所得化合物A2SiO4;其中,0≤x<1.0,0<y≤1.0,1<z≤2.0;并将其研磨、混合得到二次混合物,在二次混合物中加入占二次混合物总量3-5wt%助熔剂,在保护气氛下烧结反应期间加大气体流量,然后冷却至室温,取出研磨过筛,再经洗涤剂洗涤干燥后即得到绿色荧光粉(Ba,A)2-xSiy(O,B)zN2+4y-2z:xEu;
其中,B为F或Cl元素中的一种,Ba元素通过其碳酸盐、硝酸盐或其氧化物引入体系,含Si元素的化合物是α-Si3N4,含Eu元素的化合物是Eu2O3。
2.根据权利要求1所述的一种氮氧化物绿色荧光粉材料的制备方法,其特征在于,所述第一步中助熔剂为SrF2。
3.根据权利要求1所述的一种氮氧化物绿色荧光粉材料的制备方法,其特征在于,所述第一步中的烧结是指:在保护性气体N2、N2/H2、NH3中的一种或几种的组合条件下,烧结温度在1100℃-1250℃,烧结时间为3-5小时的烧结过程。
4.根据权利要求1所述的一种氮氧化物绿色荧光粉材料的制备方法,其特征在于,所述第二步中助熔剂为SrF2和BaF2的混合助剂,其中按照重量比为SrF2:BaF2=1:1的比例添加。
5.根据权利要求1所述的一种氮氧化物绿色荧光粉材料的制备方法,其特征在于,所述第二步中在保护气氛条件下进行烧结是指:在N2:H2=3:1气氛下1500℃-1550℃烧结10小时;其中原材料在1300℃进行反应,在此反应期间大气体流量控制气体在40ml/min。
6.根据权利要求1所述的一种氮氧化物绿色荧光粉材料的制备方法,其特征在于,所述第二步中氮氧化物荧光粉(Ba,A)2-xSiy(O,B)zN2+4y-2z:xEu合成冷却后进行洗涤,洗涤剂选择异丙醇、乙醇或乙二醇。
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