CN103140944A - 一种发光元器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发光元器件(10)及其制备方法。该发光元器件包括发光基体(13)，以及制备在发光基体表面并具有金属显微结构的金属层(14)。发光基体的材料是透明陶瓷Y₃Al₅O₁₂:Tb。通过采用在发光基体上设置一层具有显微结构的金属层，该金属层能在阴极射线下(16)与发光基体之间的界面形成表面等离子体。通过表面等离子体效应，使透明陶瓷的自发辐射增强，增强发光基体的发光效率。

Description

一种发光元器件及其制备方法 技术领域

本发明涉及发光材料领域， 尤其涉及一种发光元器件。 本发明还涉及 一种发光元器件的制备方法。 背景技术

传统的作为发光基体的材料包括荧光粉、 纳米晶体、 发光玻璃及透明 陶瓷等。 透明陶瓷相对于其它发光材料而言具有其独特的优势， 和发光玻 璃相比， 透明陶瓷具有更高的发光效率； 和荧光粉、 纳米晶体相比， 透明 陶瓷具有透明、 机械强度高、 化学稳定性好等特点， 且其更容易被加工成 各种大小形状的产品， 如各种形状或尺寸的显示器件或照明光源。

例如， 在真空微电子学领域中， 场发射器件通常利用发光陶瓷作为发 光体， 其在照明及显示领域显示出了广阔的应用前景， 引起国内外研究机 构的广泛关注。 场发射器件工作原理是： 在真空环境下， 阳极相对场发射 阴极阵列 （ Field emissive arrays , FEAs )施加正向电压形成加速电场， 阴极 发射的电子加速轰向阳极板上的发光材料而发光。 场发射器件的工作温度 范围宽（-40。C~80。C ) 、 响应时间短（小于 lms ) 、 结构简单、 省电， 符合 绿色环保要求。

然而， 透明陶瓷在场发射器件中作为发光材料使用时， 其存在发光效 率低的问题。 发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种以化学组分 Y₃Al₅0₁₂:Tb透明陶瓷 为发光基体的发光元器件。

该发光元器件， 包括发光基体， 以及制备在发光基体表面并具有金属 显微结构的金属层； 所述发光基体的材质是化学组分为 Y₃Al₅0₁₂:Tb的透明 陶瓷。

在该发光元器件中， 所述金属层的材质选自金、 银、 铝、 铜、 钛、 铁、 镍、 钴、 铬、 铂、 钯、 镁或辞中的至少一种； 该金属层的厚度可以为 0.5纳 米〜 200纳米。

本发明的另一目的在于提供上述发光元器件的制备方法， 其制备流程 下：

步骤 Sl、 清洗、 干燥化学组分为 Y₃Al₅0₁₂:Tb透明陶瓷的发光基体； 步骤 S2、 在所述发光基体表面制备一层金属层；

步骤 S3、 将制备有金属层的发光基体于真空状态下进行退火处理， 冷 却后， 制得金属层中含有金属显微结构的发光器件。

上述制备方法的步骤 S2中， 述金属层的材质选自金、 银、 铝、铜、钛、 铁、 镍、 钴、 铬、 铂、 钯、 镁或辞中的至少一种； 该金属层的厚度可以为 0.5纳米〜 200纳米。

上述制备方法的步骤 S3 中， 所述退火处理包括如下过程： 在 50°C~650°C下， 进行真空退火处理 0.5 ~ 5小时， 自然冷却至室温。 与现有技术相比， 本发明具有如下优点：

1、 本发明的发光元件， 通过釆用在发光基体上设置一层具有显微结构 的金属层， 该金属层能在阴极射线下与发光基体之间的界面形成表面等离 子体， 通过表面等离子体效应， 使发光基体的内量子效率大大提高， 即透 明陶瓷的自发辐射增强， 进而大大增强了发光基体的发光效率；

2、 本发明的发光元件制备方法中， 只需要在发光基体上形成一层金属 层， 然后经过退火处理制得金属显微结构， 即可获得所需发光元件； 因而， 工艺制备简单、 且成本低。 附图说明

图 1为本发明发光元器件的结构示意图；

图 2是本发明发光元器件制备工艺流程图；

图 3是本发明发光元器件的发光流程图；

图 4是实施例 1的发光元件与未加金属层的透明陶瓷对比的发光光谱， 阴极射线发光光谱测试条件为： 电子束激发的加速电压为 10KV。 具体实施例

本发明提供的一种发光元器件 10 , 如图 1所示， 包括发光基体 13 , 以 及制备在发光基体 13表面并具有金属显微结构的金属层 14 ,所述金属显微 结构是非周期性的， 即由无规则排列的金属纳米颗粒构成； 该发光基体 13 是 Tb掺杂的钇铝石榴石体系的具有发光性能的透明陶瓷， 即发光陶瓷， 通 常为 Tb掺杂的钇铝石榴石体系透明陶瓷， 其化学组分表示为 Y₃Al₅0₁₂:Tb 陶瓷。

对于该发光元器件 10 ,其金属层 14的材质可以是由化学稳定性良好的 金属， 例如金、 银、 铝、 铜、 钛、 铁、 镍、 钴、 铬、 铂、 钯、 镁、 辞中的 至少一种金属形成的， 优选为由金、 银、 铝中的至少一种金属形成的。 金 属层 14中的金属物种可以是它们的单金属或者复合金属。 复合金属可以是 上述金属两种或两种以上的合金， 例如， 金属层 14可以是银铝合金层或金 铝合金层，其中银或金的重量分数优选为 70%以上。金属层 14的厚度为 0.5 纳米〜 200纳米， 优选为 1纳米〜 100纳米。

本发明还提供一种上述发光元器件的制备方法， 如图 2 所示， 其制备 流程包括：

501、 将发光基体依次在丙酮、 去离子水、 无水乙醇清洗干净， 然后烘 干干燥或吹干干燥；

502、 在所述发光基体表面制备一层金属层； S03、将制备有金属层的发光基体于真空状态下进行退火处理，冷却后， 制得金属层中含有金属显微结构的发光器件。

上述制备方法的步骤 S01中，发光基体釆用 Tb掺杂的钇铝石榴石体系 透明发光陶瓷， 其化学组分为 Y₃Al₅0₁₂:Tb; 使用过程中， 需将透明陶瓷通 过机械加工、 抛光等方式制成满足各种应用所需的形状， 即为发光基体。

此处形成金属层可以是釆用化学稳定性良好的金属材质源沉积形成， 例如不易氧化腐蚀的金属， 另外也可以是常用的金属， 优选为金、 银、 铝、 铜、 钛、 铁、 镍、 钴、 铬、 铂、 钯、 镁、 辞中的至少一种金属， 更优选为 由金、 银、 铝中的至少一种金属。

上述制备方法的步骤 S02 中， 该金属层是通过将上述至少一种金属通 过物理或化学气相沉积法形成于发光基体表面，例如， 溅射或蒸镀方法（但 不限于这两种方法）形成于发光基体的表面。金属层的厚度为 0.5纳米〜 200 纳米， 优选为 1纳米〜 100纳米。

上述制备方法的步骤 S03具体如下： 在发光基体表面形成金属层后， 在 50。C~650。C下进行真空退火处理， 退火时间为 1 ~ 5小时， 然后自然冷 却至室温。 其中， 退火温度优选为 100°C~500°C, 退火时间优选为 1 ~ 3小 时。

如图 1所示， 上述发光元件 10 , 可广泛应用于超高亮度和高速运作的 发光器件上， 例如场发射显示器、 场发射光源或大型广告显示牌等产品中。 以场发射显示器为例， 阳极相对场发射阴极阵列施加正向电压形成加速电 场， 阴极发射的电子， 即对金属层 14发射阴极射线 16, 具有显微结构的金 属层 14与发光基体 13之间形成表面等离子体， 通过表面等离子体效应， 使发光基体 13的内量子效率大大提高， 即透明陶瓷的自发辐射增强， 进而 大大增强了发光基体的发光效率， 从而解决发光材料发光效率低这一问题。 另外， 由于是发光基体 13表面形成一层金属层， 整个金属层与发光基体 13 之间形成均匀界面， 可以提高发光的均匀性。 作为本发明的发光元器件， 在实际使用过程中， 其发光方法如图 3 所 示， 包括如下流程：

S11 : 将发光元件的金属层所在的表面安装在阴极射线发射的正前方；

S12: 对金属层发射阴极射线， 在阴极射线的激发下， 金属层与发光基 体之间形成表面等离子体， 使发光基体的发光增强。

在实际应用中， 实现步骤 S12可以釆用场发射显示器或照明光源， 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 发射阴极射线， 在阴极射线的激发下， 电子束首先穿透金属层进而激发发 光基体发光， 在这个过程中， 金属层与发光基体的界面上产生了表面等离 子体效应， 通过该效应使发光基体的内量子效率大大提高， 即发光材料的 自发辐射增强， 进而大大增强了发光材料的发光效率。

如上所述电子束穿透金属层进而激发发光基体发光， 表面等离子体在 发光基体与金属层之间形成， 促进 Y₃Al₅0₁₂:Tb陶瓷的发光。

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的变化。 SPPs引发的电磁场， 不仅仅能够 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， 本实施例利用该 SPPs的 激发性能， 增大发光基体的光学态密度和增强其自发辐射速率； 而且， 可 利用表面等离子体的耦合效应， 当发光基体发出光时， 能与其发生耦合共 振效应， 从而大大提高发光基体的内量子效率， 提高发光基体的发光效率。 下面结合附图， 对本发明的较佳实施例作进一步详细说明。 实施例 1 以 Tb掺杂的钇铝石榴石体系透明陶瓷片， 即化学组分为 Y₃Al₅0₁₂:Tb 的发光陶瓷作为发光基体， 然后利用磁控溅射设备在透明陶瓷表面沉积厚 度为 10纳米的金属银层，然后将其置于真空度小于 l x lO—³Pa的真空环境下， 以 300。C的温度退火处理半小时， 然后冷却至室温， 即得到具有金属显微 结构金属层的发光元件。

对上述制备的发光元件进行光谱测试， 用电子枪产生的阴极射线轰击 该发光元件， 电子束首先穿透金属层进而激发 Y₃Al₅0₁₂:Tb透明陶瓷发光， 产生如图 4所示的发光光谱， 图中光谱显示发光材料为绿色发光材料。 图 中曲线 11为未加金属银层时陶瓷的发光光谱； 曲线 12为本实施例制备的 附加了金属结构的发光元件的发光光谱， 从图中可以看到， 由于金属层与 透明陶瓷之间产生了表面等离子体效应， 相对于未加金属层时透明陶瓷， 本实施例的附加了金属结构的透明陶瓷从 400纳米到 650纳米的发光积分 强度是未加金属层时透明陶瓷发光积分强度的 2.5倍，使发光性能得到极大 提高。 实施例 2

实施例 2与实施例 1基本相同， 不同之处在于： 在发光基体表面沉积 厚度为 0.5纳米的金属金层，然后将其置于真空度小于 l x lO—³Pa的真空环境 下， 以 650。C的温度退火处理 1小时， 然后冷却至室温， 得到具有金属显 微结构金属层的发光元件。 实施例 3

实施例 3与实施例 1基本相同， 不同之处在于： 在发光基体表面沉积 厚度为 200纳米的金属铝层， 然后将其置于真空度小于 l x l(T³Pa的真空环 境下， 以 50。C的温度退火处理 5小时， 然后冷却至室温， 得到具有金属显 微结构金属层的发光元件。 应当理解的是， 上述针对本发明较佳实施例的表述较为详细， 并不能 因此而认为是对本发明专利保护范围的限制， 本发明的专利保护范围应以 所附权利要求为准。

Claims (1)

1. 权利要求书

   1、 一种发光元器件， 其特征在于， 该发光元器件包括发光基体， 以 及制备在发光基体表面并具有金属显微结构的金属层； 所述发光基体的材 质是化学组分为 Y₃Al₅0₁₂:Tb的透明陶瓷。

   2、 根据权利要求 1所述的发光元器件， 其特征在于， 所述金属层的 材质选自金、 银、 铝、 铜、 钛、 铁、 镍、 钴、 铬、 铂、 钯、 镁或辞中的至 少一种。

   3、 根据权利要求 1所述的发光元器件， 其特征在于， 所述金属层的 厚度为 0.5纳米〜 200纳米。

   4、 一种发光元器件的制备方法， 其特征在于， 包括如下步骤： 步骤 Sl、 清洗、 干燥发光基体；

   步骤 S2、 在所述发光基体表面制备一层金属层；

   步骤 S3、 将制备有金属层的发光基体于真空状态下进行退火处理， 冷 却后， 制得金属层中含有金属显微结构的发光器件。

   5、 根据权利要求 4所述的制备方法， 其特征在于， 所述步骤 S1中， 所述清洗处理包括如下过程： 依次用丙酮、 去离子水、 无水乙醇清洗干净 发光基体。

   6、 根据权利要求 5所述的制备方法， 其特征在于， 所述干燥处理釆 用烘干干燥或吹干干燥方式。

   7、 根据权利要求 4所述的制备方法， 其特征在于， 所述步骤 S1中， 所述发光基体的材质是化学组分为 Y₃Al₅0₁₂:Tb的透明陶瓷。

   8、 根据权利要求 4所述的制备方法， 其特征在于， 所述步骤 S2中， 述金属层的材质选自金、 银、 铝、 铜、 钛、 铁、 镍、 钴、 铬、 铂、 钯、 镁 或辞中的至少一种。

   9、 据权利要求 4所述的制备方法， 其特征在于， 所述步骤 S2中， 所述金属层的厚度为 0.5纳米〜 200纳米。 10、 根据权利要求 4所述的制备方法， 其特征在于， 所述步骤 S3中， 所述退火处理包括如下过程：

   在 50。C~650。C下， 进行真空退火处理 0.5 ~ 5小时， 自然冷却至室温。