CN102827601A - 氟化物荧光粉体材料及其半导体发光器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一类氟化物荧光粉体材料及其半导体发光器件。该类Mn4+激活的能够被紫光和蓝光激发的氟化物红光发光材料,可广泛使用于白光LED以及平板显示等领域。其化学组成为:(1)AMNF6:Mn4+;(2)MNF5:Mn4+;(3)ARF4:Mn4+;(4)Ba2ZrF8:Mn4+,其中A为Li,Na,K,Rb,Cs,NH4中的一种或几种的组合;M为Mg,Zn,Ba,Sr,Ca中的一种或几种的组合;N为Al,Ga,In中的一种或几种的组合;R为Sc,Y,Bi以及稀土元素中的一种或几种的组合;Mn4+为发光中心离子。
Description
技术领域
本发明涉及一类应用于发光领域的荧光粉材料,特别涉及白光LED用红光发光材料及其在照明和显示领域的应用。
背景技术
发光二极管(Light-Emitting Diode,简称为LED)是一种固态发光器件,具有小型固化、节能、环保以及长寿命等优点。通常,单个LED器件的发光颜色较为单一,限制了其应用,为了拓展其发射波长,可在LED芯片上涂覆上一层荧光粉,该荧光粉能够吸收LED芯片发出的光,并发射出另一波长的光,通过选择不同的荧光粉即可获得不同颜色的发光器件,可广泛应用于交通灯、汽车尾灯以及显示屏等多种领域。同时,通过选择合适的荧光粉,还可以实现LED器件的白光发射,从而在室内照明等领域得到应用。对于白光LED的制备,目前最常用的方法是将蓝光LED芯片(发光波长440-480 nm)与黄光荧光粉(如YAG:Ce和TAG:Ce)相结合,黄光荧光粉吸收部分芯片发出的蓝光后发射出黄光,并与未被吸收的蓝光混合形成白光。但是,采用这种方式只能获得相关色温(Correlated Color Temperature,CCT)大于4500 K的冷白光器件,同时,其显色指数(Color Rendering Index,CRI)也较低,通常小于80。其主要原因在于常用黄光荧光粉发射光谱中的红光组份不足,导致难以获得低色温、暖色调以及高显色指数的白光LED器件,而这正是白光LED能在室内获得应用的关键。要想实现这一目标,一个有效的办法就是在白光LED器件中添加适当的红光荧光粉,增强器件的红光发射。目前,性能较好的白光LED用红光荧光粉主要为稀土掺杂的氮化物材料,如M2Si5N8:Eu2+ (M = Ca, Sr, Ba),MSiN2:Eu2+ (M = Sr,Ba,Mg)以及CaAlSiN3:Eu2+等。但是,使用 该类材料虽能有效的提升器件的显色指数,降低相关色温,但同时也使得器件的辐射光视效能(Luminous Efficacy of Radiation,LER)大幅降低。这主要是因为该类红光荧光粉的发射为宽带发射,相当一部分发射光谱处于深红(>650 nm)范围,而人眼对这部分发光是极不敏感的。因此,为了在改善器件显色性的同时获得较高的器件效率,理想的状况是红光荧光粉具有较窄的发射带宽且其发射波长小于650 nm。
Mn4+为过渡族离子,具有未满的3d3电子壳层,其外层没有闭壳层的屏蔽,因此其电子运动受晶体场和晶格振动的影响较大,当Mn4+离子作为激活离子替代基质晶体中的某一种或多种离子时,其光学性质如吸收和发射峰的位置、发光效率以及荧光热猝灭特性等都会因基质材料的不同而不同。Mn4+离子的半径很小(~0.54 Ǻ),因此作为掺杂离子它可替代基质材料中的Si4+,Ge4+,Sn4+,Ti4+,Zr4+,Al3+,Ga3+,In3+,As3+,Nb5+,Ta5+以及三价稀土(La-Lu,Sc,Y)等离子,其替代比例(原子百分比)可在0-100 at.%范围内,通常在荧光粉体材料中为0-30 at.%。当Mn4+离子处于八配位的晶格环境中时,其发射光谱为峰值在630 nm左右的窄带发射,因此是一类红光发光材料。1968年,美国专利(U. S. Patent,1971, 3 576 756)即报道了Mn4+激活的K 2TiF6,K2SiF6等红光荧光粉;近些年,美国通用电气公司又申请了Mn4+激活的EMF6 (M=Ge, Si, Sn, Ti, Zr ;E=Mg, Ca, Sr, Ba, Zn); A2NF5 (A=Li, Na, K, Rb, Cs, NH4;N=Al, Ga, In), A3NF6, Zn2NF7 以及A2PF7(P=Nb, Ta)等氟化物红光荧光粉专利(U. S. Patent, 2009, 7 497 973; U. S. Patent, 2010, 7 648 649;U. S. Patent, 2010, 7 847 309)。但是,如前所述,Mn4+离子的发光性质与基质材料紧密相关,具有高发光效率以及优异热稳定性的材料依然匮乏。
发明内容
本发明提供了一类能够被紫外、近紫外以及蓝光有效激发的氟化物红光发射 材料,其吸收波长在200-550 nm范围,其发射带宽较窄且分布在610-650 nm范围。其化学组成为:
(1)AMNF6:Mn4+,或为
(2)MNF5:Mn4+,或为
(3)ARF4:Mn4+,或为
(4)Ba2ZrF8:Mn4+;
其中A为Li,Na,K,Rb,Cs,NH4中的一种或几种的组合;M为Mg,Zn,Ba,Sr,Ca中的一种或几种的组合;N为Al,Ga,In中的一种或几种的组合;R为Sc,Y,Bi以及稀土元素La,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb中的一种或几种的组合;Mn4+为发光中心离子,其替代基质材料中N或R或Zr离子的原子百分比为0< Mn4+≤30 at.%。
本发明提供一种荧光粉组合,其中至少一种为上述氟化物红光发光材料。
本发明提供一种由该类红光发光材料与激发光源组成的发光器件,该器件中至少含有上述任意一种或多种氟化物红光发光材料。
附图说明
图1 实施例1中LiCaAlF6:Mn4+荧光粉的激发和发射光谱。
图2 实施例1中NaCaAlF6:Mn4+荧光粉的激发和发射光谱。
图3 实施例3中BaAlF5:Mn4+荧光粉的激发和发射光谱。
图4 实施例4中LiYF4:Mn4+荧光粉的激发和发射光谱。
图5 实施例9中NaGdF4:Mn4+荧光粉的激发和发射光谱。
图6 实施例12中Ba2ZrF8:Mn4+荧光粉的激发和发射光谱。
图7 实施例15所制备LED器件的发射光谱。
图8 实施例18所制备LED器件的发射光谱。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行进一步的说明,包括Mn4+激活氟化物红光荧光粉的制备以及其在白光发光器件中的应用。
对于Mn4+激活氟化物红光发光材料的制备,可在含有Mn4+离子的溶液中采用共沉淀的方法制备;或者将基质晶体与K2MnF6在氢氟酸中充分搅拌并在一定温度下热处理来实现Mn4+的掺杂。而K2MnF6可通过下述方法进行制备:将0.45 克KMnO4,9克KHF2溶于30 ml氢氟酸(40%)中,搅拌20分钟,然后逐步滴入约1.2 毫升H2O2,溶液中逐步生成黄色的沉淀,将溶液过滤后得到沉淀物,用丙酮清洗后在80摄氏度烘2小时即得到K2MnF6。
实施例1、 ACaAlF6:Mn4+(A=Li,Na,K,Rb,Cs)荧光粉的制备
将1.2843克AlCl3·6H2O以及以及化学计量比的CaCl2,碱金属氯化物(LiCl·3H2O,NaCl,KCl,RbCl和CsCl)加入到20 ml氢氟酸(50%)中,室温下搅拌1小时,然后离心将沉淀物分离,将得到的产物用20 ml丙酮清洗后在90摄氏度烘干即得到ACaAlF6。通过多次制备得到样品10克。
将上述得到的产物与一定量的K2MnF6混合均匀,并加入适量的氢氟酸后搅拌,得到的产物在90摄氏度烘干即可得到ACaAlF6:Mn4+(A=Li,Na,K,Rb,Cs)荧光粉。合成中基质晶体ACaAlF6的原料配比如表1所示,Mn4+掺杂材料按Mn和Al的摩尔比分别为0.1:9.9,1:9以及2:8制备,其中比例为1:9样品的配比如表2所示。
表1 ACaAlF6基质材料制备的原料配比
表 2 ACaAlF6:Mn4+荧光粉制备的原料配比
实施例2、ACa(Ga, In)F6:Mn4+(A=Li,Na,K,Rb,Cs)荧光粉的制备
将化学计量比的AF,MF2,GaF3以及InF3混合均匀,然后在氟化氢气体(纯度 99.9%)的气氛下加热至一定温度并恒温一段时间,然后自然冷却,得到AM(Ga, In)F6粉末样品。
将上述得到的产物与一定量的K2MnF6混合均匀,并加入适量的氢氟酸后搅拌,得到的产物在90摄氏度烘干即可得到AM(Ga, In)F6:Mn4+荧光粉。合成基质晶体ACaAlF6的原料配和工艺条件比如表3所示,Mn4+掺杂材料合成按Mn和基质晶体中Ga,In量之和的摩尔比分别为0.1:9.9,1:9以及2:8制备,其中比例为2:8样品的配比如表4所示。
表3 ACa(Ga, In)F6基质材料制备的原料配比
表4 ACa(Ga, In)F6:Mn4+荧光粉制备的原料配比
实施例3、MAlF5:Mn4+(M = Mg,Zn,Ba,Sr,Ca)荧光粉的制备
将0.7243克AlCl3·6H2O和化学计量比的相应氯化物(MgCl2·6H2O,ZnCl2,BaCl2,CaCl2和SrCl2)加入到10 ml蒸馏水中,搅拌30分钟待全部溶解,然后加入氢氟酸(40%) 5ml,搅拌的同时在80度水浴中挥发得到MAlF5产物。经过多次制备得到样品10克。
将上述产物与一定量的K2MnF6混合均匀,并加入适量的氢氟酸后搅拌,得到的 产物在90摄氏度烘干即可得到MAlF5:Mn4+(M = Mg,Zn,Ba,Sr,Ca)荧光粉。合成中基质晶体MAlF5的原料配比如表5所示,Mn4+掺杂材料的合成按Mn和Al的摩尔比分别为0.1:9.9,1:9以及2:8制备,其中比例为2:8样品的配比如表6所示。
表5 MAlF5基质材料制备的原料配比
表6 MAlF5:Mn4+荧光粉制备的原料配比
实施例4、LiEF4:Mn4+ (R = Y, Tb-Lu)荧光粉的制备
合成的基本程序如下所述,以LiYF4晶体为例:将0.97 克LiOH·H2O,10 mL蒸馏水,18 mL油酸(90 wt %)以及30 ml乙醇混合在一起并在室温下搅拌2小时;然后将4克含有1 mmol Y(NO3)3的水溶液加入到上述溶液中并搅拌至澄清;接下来,将4 ml NH4F水溶液(1 mol/L)加入到得到的溶液中并搅拌2分钟。最后,将得到的溶液移入体积为100 ml的水热罐中并加热至130 摄氏度保温6小时,溶液经离心后得到LiYF4产物。合成基质晶体LiEF4:Mn4+ (E = Y, Tb-Lu)的原料配比和关键工艺参数如表7所示。
将得到的LiEF4与一定量的K2MnF6混合均匀,并加入适量的氢氟酸后搅拌,得到的产物在90摄氏度烘干即可得到LiEF4:Mn4+荧光粉。Mn4+的掺杂浓度按Mn和E的摩尔比分别按0.1:9.9,1.5:8.5以及3:7的比例制备,其中比例为1.5:8.5样品的配比如表8所示。
表 7 LiEF4基质材料制备的原料配比和关键工艺参数
表8 LiEF4:Mn4+荧光粉制备的原料配比
实施例5、NaYF4:Mn4+荧光粉的制备
NaYF4的制备:首先,将10毫升YCl3水溶液(0.2 mol/L)加入到20毫升NaCl水溶液中(NaCl的量为2 mmol)并在室温下搅拌30分钟;然后将30毫升NaF的水溶液(NaF的量为25 mmol)加入到上述溶液中,得到的混合溶液移入水热釜中,并在180摄氏度恒温24小时后自然冷却至室温,溶液经离心、乙醇清晰以及80摄氏度干燥后得到NaYF4。
NaYF4:Mn4+的制备:将1.6910克(9 mmol)NaYF4和0.2471克(1 mmol)K2MnF6或1.5031克(8 mmol)NaYF4和0.4943克(2 mmol)K2MnF6或1.3152克(7 mmol)NaYF4和0.7414克(3 mmol)K2MnF6混合均匀,然后分别加入氢氟酸(50%)1.5毫升 并搅拌2小时,最后在80摄氏度烘5小时,得到不同Mn4+掺杂比例的NaYF4:Mn4+荧光粉。
实施例6:NaScF4:Mn4+荧光粉的制备
NaScF4的制备:将0.4 mmol ScCl3加入到20毫升油酸和1-十八烯的混合溶液中(油酸和十八烯的体积比为3:9),将溶液在氮气的保护下升温至160摄氏度并搅拌30分钟然后冷却到室温;然后,将含有1.6 mmol NH4F和1 mmol NaOH的甲醇溶液5毫升加入到上述溶液中,继续搅拌30分钟;接下来,将溶液升温至310摄氏度并搅拌1小时,最后将溶液降至室温,加入20毫升乙醇后离心分离得到NaScF4。
NaScF4:Mn4+的制备:将1.2955克(9 mmol)NaScF4和0.2471克(1 mmol)K2MnF6或1.1515克(8 mmol)NaScF4和0.4943克(2 mmol)K2MnF6或1.0076克(7 mmol)NaScF4和0.7414克(3 mmol)K2MnF6混合均匀,然后分别加入氢氟酸(50%) 1.5毫升并搅拌2小时,最后在80摄氏度烘5小时,得到不同Mn4+掺杂浓度的NaScF4:Mn4+荧光粉。
实施例7、NaLaF4:Mn4+荧光粉的制备
NaLaF4的制备:将NaF和LaF3按13:7的摩尔比混合均匀,然后放入铂金坩埚中并升温至900摄氏度待原料溶解并恒温1小时,之后按5摄氏度/分钟的速度降温至600摄氏度,将坩埚取出倒出上层的溶液即可得到NaLaF4晶体。
NaLaF4:Mn4+的制备:将2.1410克(9 mmol)NaGdF4和0.2471克(1 mmol)K2MnF6或1.9031克(8 mmol)NaGdF4和0.4943克(2 mmol)K2MnF6或1.6652克(7 mmol)NaGdF4和0.7414克(3 mmol)K2MnF6混合均匀,然后分别加入氢氟酸(50%) 2毫升并搅拌3小时,最后在80摄氏度烘箱中烘5小时,得到不同Mn4+掺杂的NaGdF4:Mn4+ 荧光粉。
实施例8、NaCeF4:Mn4+荧光粉的制备
NaCeF4的制备:将32 mmol NH4F溶于20毫升乙二醇中;然后,将2 mmol Ce(NO3)3·6H2O,2 mmol NaNO3溶于20毫升乙二醇中。将上述得到的两种溶液混合在一起并搅拌30分钟,然后移入到70毫升的水热罐中,在180摄氏度恒温48小时,溶液自然冷却后经离心得到NaCeF 4。
NaCeF4:Mn4+的制备:将2.1519克(9 mmol)NaCeF4和0.2471克(1 mmol)K2MnF6或1.9128克(8 mmol)NaCeF4和0.4943克(2 mmol)K2MnF6或1.6737克(7 mmol)NaCeF4和0.7414克(3 mmol)K2MnF6混合均匀,然后分别加入氢氟酸(50%) 2毫升并搅拌3小时,最后在80摄氏度烘箱中烘5小时,得到不同Mn4+掺杂浓度的NaCeF4:Mn4+荧光粉。
实施例9、NaTF4:Mn4+(T=Nd, Sm, Eu, Gd, Tb)荧光粉的制备
NaTF4(T=Nd, Sm, Eu, Gd, Tb)的制备:将20毫升稀土氯化物(NdCl3, SmCl3,EuCl3,GdCl3, TbCl3)的水溶液(浓度为0.2 mol/L)与20毫升含有5 mmol乙二胺四乙酸(EDTA)的水溶液混合在一起并搅拌10分钟,然后,将50 mmol NaF加入到上述溶液中,继续室温下搅拌24小时。最后,将沉淀物离心分离,即可得到NaTF4(T=Nd, Sm, Eu, Gd, Tb)。
NaGdF4:Mn4+的制备:将一定量的NaTF4(T=Nd, Sm, Eu, Gd, Tb)和K2MnF6混合均匀,然后加入适量氢氟酸(50%) 并搅拌3小时,最后在80摄氏度烘箱中烘5小时,得到NaTF4:Mn4+荧光粉。合成按Mn和T的摩尔比分别为0.1:9.9,1:9以及1.5:8.5制备,其中比例为1.5:8.5样品的配比如表9所示。
表9 NaTF4:Mn4+荧光粉制备的原料配比
实施例10、NaZF4:Mn4+(Z = Pr,Dy-Lu)荧光粉的制备
NaZF4的制备:将8毫升乙醇加入到2毫升含有1.2克NaOH的水溶液中,然后再加入20毫升油酸并搅拌。接下来,将1 mmol稀土硝酸盐(Z(NO3)3)和8毫升浓度为1 mol/L的NaF溶液加入到上述溶液中,继续搅拌1小时后移入容积为50毫升的水热罐中并在190摄氏度恒温24小时,沉淀物经离心分析后得到NaZF4。
NaZF4:Mn4+的制备:将上述得到的产物与一定量的K2MnF6混合均匀,并加入适量的氢氟酸后搅拌,得到的产物在90摄氏度烘干即可得到NaZF 4:Mn4+荧光粉。合成按Mn和Z的摩尔比分别为0.8:9.2,1:9以及3:7制备,其中比例为0.8:9.2样品的配比如表10所示。
表10 NaZF4:Mn4+荧光粉制备的原料配比
实施例11、KXF4:Mn4+(X = Y, La-Gd)荧光粉的制备
KXF4的制备:将1 mmol K(CF3COO)和1 mmol X(CF3COO)3加入到40毫升油酸(OA)、油胺(OM)以及1-十八烯(ODE)的混合溶液中。溶液在氩气的保护下升温至120摄氏度恒温30分钟,然后进一步升温至260-300摄氏度并恒温60分钟,最后待溶液自然冷却后加入乙醇40毫升,将溶液离心分离后即得到KXF4。具体的原料配比和反应温度等参数如表11所示。
KXF4:Mn4+的制备:将上述得到的一定量KXF4和K2MnF6混合均匀(X和Mn的摩尔比例为7:3),然后加入适量氢氟酸(50%) 并搅拌3小时,最后在80摄氏度烘箱中烘5小时,得到KXF4:Mn4+荧光粉,合成按Mn和X的摩尔比分别为1:9,1.5:8.5以及3:7制备,其中比例为1.5:8.5样品的配比如表12所示。
表11 KXF4基质晶体水热法制备的原料配比
表12 KXF4:Mn4+荧光粉制备的原料配比
实施例12、Ba2ZrF8:Mn4+荧光粉的制备
Ba2ZrF8的制备:将1.4392克ZrO2溶于35毫升氢氟酸(40%)中,在60摄氏 度的油浴中搅拌24小时;然后将2.3040克BaCO3逐步加入到上述溶液中并在80摄氏度的油浴中挥发至完全干燥,得到的产物经丙酮洗涤后再80摄氏度烘24小时,得到Ba2ZrF8。
Ba2ZrF8:Mn4+的制备:将4.6608克(9 mmol)Ba2ZrF8和0.2471克(1 mmol)K2MnF6或4.1429克(8 mmol)Ba2ZrF8和0.4943克(2 mmol)K2MnF6或3.6251克(7 mmol)Ba2ZrF8和0.7414克(3 mmol)K2MnF6混合均匀,然后分别加入氢氟酸(40%)3毫升,搅拌2小时后在80摄氏度的烘箱中干燥24小时,得到不同Mn4+掺杂浓度的Ba2ZrF8:Mn4+荧光粉。
实施例13-20 白光LED发光器件的制造
将本发明实施例中的LiYF4:Mn4+红光荧光粉与市售绿光荧光粉按一定比例均匀分散在环氧树脂中,经混合脱泡处理后得到的混合物涂覆在市售的蓝光LED芯片上(发光波长445 nm),经150摄氏度0.5小时烘干后,完成器件的封装。通过调整绿粉与红粉的比例,可得到不同色温和显色指数的白光LED器件(各发光材料的比例根据本领域技术人员的实验技能,通过简单实验即可得出),表13给出了不同荧光粉配比所制备器件的显色指数、相关色温以及辐射光视效能等参数。图7给出了实施例15和18所制备白光器件的发射光谱。
表13 不同荧光粉配比所制备白光LED器件的光电参数
Claims (7)
1.一类氟化物荧光粉体材料,其化学组成为:
(1)AMNF6:Mn4+,或为
(2)MNF5:Mn4+,或为
(3)ARF4:Mn4+,或为
(4)Ba2ZrF8:Mn4+;
其中A为Li,Na,K,Rb,Cs,NH4中的一种或几种的组合;M为Mg,Zn,Ba,Sr,Ca中的一种或几种的组合;N为Al,Ga,In中的一种或几种的组合;R为Sc,Y,Bi以及稀土元素La,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb中的一种或几种的组合;Mn4+为发光中心离子。
2.根据权利要求1所述的氟化物荧光粉体材料,其特征在于:所述的Mn4+离子替代基质材料中N或R或Zr离子的原子百分比为0< Mn4+≤30 at.%。
3.一类荧光粉组合,含有至少一种如权利要求1或2所述的荧光粉体材料。
4.一种半导体发光器件,由半导体光源和荧光粉组成,且荧光粉含有至少一种如权利要求1或2所述的荧光粉体材料。
5.如权利要求4所述的半导体发光器件,其特征在于:所述半导体光源的发射波长为350-500 nm。
6.如权利要求4所述的半导体发光器件,其特征在于:所述半导体光源为氮化物半导体材料,其化学式为IniGajNk,其中0≤i,0≤j,0≤k,且i+j+k=1。
7.如权利要求4所述的半导体发光器件,其特征在于:所述半导体光源为有机化合物。
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