CN103224795A - 具有石榴石结构的镥-钆荧光粉及其应用 - Google Patents

具有石榴石结构的镥-钆荧光粉及其应用 Download PDF

Info

Publication number
CN103224795A
CN103224795A CN2012104385216A CN201210438521A CN103224795A CN 103224795 A CN103224795 A CN 103224795A CN 2012104385216 A CN2012104385216 A CN 2012104385216A CN 201210438521 A CN201210438521 A CN 201210438521A CN 103224795 A CN103224795 A CN 103224795A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fluorescent material
gadolinium
lutetium
garnet structure
present
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN2012104385216A
Other languages
English (en)
Inventor
罗维鸿
索辛·纳姆
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to CN2012104385216A priority Critical patent/CN103224795A/zh
Publication of CN103224795A publication Critical patent/CN103224795A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B20/00—Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps

Landscapes

  • Luminescent Compositions (AREA)

Abstract

本发明涉及具有石榴石结构的镥-钆荧光粉及其应用，该荧光粉的化学计量式为(LumGdnCeq)3(Al1-pGaP)2Al3O12-xFx/2Nx/2，其中0.1<m≤0.94，0.01<n≤0.96，0.01<q≤0.06，m+n+q=1，0.001<x≤0.3，0.001<p≤0.9。本发明还涉及由所述荧光粉组成的白光发光二极管和镥-钆荧光粉混合物。

Description

具有石榴石结构的镥-钆荧光粉及其应用
技术领域
本发明与闪烁体技术有关，用于核物理及核工业中对辐射的监测。本发明的荧光粉可用于制造X射线传感器以及X射线增感屏。除此之外，本发明的荧光粉具有高发光性能，可以运用在半导体照明设备中。该项新型技术领域产生于20世纪末期，与高效率的氮化铟镓InGaN发光二极管以及在其基础上的白光发光二极管有关。
背景技术
在核物理中，X射线以及伽马射线影像采用了大量不同种类的闪烁体，它们分为有机及无机闪烁体，而后者可以与无机化合物相结合，例如卤化物元素Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ族，硅酸盐，磷酸盐，钨等等。闪烁体通常是以单晶及合成聚合物的形式分布在无机荧光粉颗粒中。在G.Blasse的学术报告Luminescence material.Springer.Amsterdam.Berlin.1994,360中详细总结了无机闪烁体。
Phosphor handbook.Ed.S.Shionoya.W.Yen CRC London,New-York.2000,P 921中也详细描述了X射线闪烁体。
闪烁体物质主要参数通常为：
—有效原子序数
—重力密度
—能量输出，用%表示
—频谱和闪烁时间
2000年以前大多数已知的有效原子序数数值为N≤59.8，对于它们来说，重力密度的变化区间是从3.9g/cm3至7.5g/cm3。高能量的闪烁体类型CaWO4的能量输出只有6%，而对于新型材料YTaO4:Nb来说，该数值增加到11%。从这些分析数据中我们可以得出结论：对于现阶段而言，有效的重原子闪烁体并不多。
众所周知用于固态照明的荧光粉有不同类型。在学术论文S.Nakamura.Blue Laser Diode.Springer Verl 1997,P320中描述了一种白光发光二极管。在该设备中采用了已知的材料—钇铝石榴石(Y,Gd,Ce)3Al5O12。这种材料具有石榴石晶体结构，保证在氮化物半导体异质结激发下取得白光，我们把使用这种材料的发光二极管称之为“合成”。关于白光合成发光二极管，见NICHIA公司的美国专利5,998,925，公开日为1999年12月7日，我们把该专利作为我们的原型。尽管含有以YAG为基质的荧光粉的白光二极管目前被广泛的使用，但它仍然存在很大的缺陷：
---色彩范围有限，主要为冷白光以及中性白光。
---发光效率不高，使用的电流较大。
除此之外，YAG:Ce荧光粉不能运用在闪烁器技术中，因为其密度不高，为ρ=4.98g/cm3，且其原子序数低，少于40单位。另一方面，在实验中所有已知的闪烁体不可以运用在合成发光二极管中，因为其不能被氮化物异质结蓝光激发。因此，目前为止还没有出现适合用于闪烁体及发光二极管技术的材料，像那样的材料可以称为万能的材料。
发明内容
本发明涉及一种万能的发光材料，适用于不同的技术趋势。本发明的材料具有高原子序数、高密度，非常适用于探测器辐射光谱记录。本发明的目的在于使本发明的材料具有极短的衰减时间，可以承受高密度量子场的激发，如X射线，伽马辐射以及可见的短波辐射。
本发明涉及一种具有石榴石结构的镥-钆荧光粉，其特征在于，该镥-钆荧光粉具有如下计量公式：
(LumGdnCee)3(Al1-p,Ga)2Al3O12-x(F，N)x
其中0.1<m≤0.94，
0.01<n≤0.96，
0.01<q≤0.06时，m+n+q=1
0.001<x≤0.3，
0.001<p≤0.9。
附图说明
图1为本发明的荧光粉(Lu0.94Ce0.04Gd0.02)3(Al1.99Ga0.01)Al3O11.96F0.02N0.02的X光射线光谱图。
图2为本发明的荧光粉(Lu0.93Ce0.03Gd0.04)3(Al1.98Ga0.02)(AlO3.98F0.01N0.01)3的辐射光谱图及色度坐标图。
图3a为本发明的荧光粉(Lu0.89Ge0.03Gd0.08)3Al1.5Ga0.5Al3O11.94F0.03N0.03的辐射光谱图及色度坐标图。
图3b为本发明的荧光粉(Lu0.89Ge0.03Gd0.08)3Al1.5Ga0.5Al3O11.94F0.03N0.03的辐射光谱图及色度坐标图，其具有更短的激发波长（450nm）。
图4为本发明的荧光粉(Lu0.48Gd0.48Ce0.04)3(Al1Ga1)Al3O11.98F0.01N0.01的辐射光谱图及色度坐标图。
图5为本发明的荧光粉(Lu0.40Gd0.57Ce0.03)3(Al1.6Ga0.4)Al3O11.92F0.04N0.04的辐射光谱图及色度坐标图。
图6为本发明的荧光粉(Lu0.10Gd0.87Ce0.03)3(Al1.99Ga0.01)Al3O11.98F0.01N0.01的辐射光谱图及色度坐标图。
图7为本发明的一个具体实施方案中的聚合物转换层。
具体实施方式
如图1所示的荧光粉的成份为
(Lu0.94Ce0.04Gd0.02)3(Al1.99Ga0.01)Al3O11.96F0.02N0.02
该图是使用俄罗斯设备Дрон-2，采用德拜-谢乐的方法拍摄的，样本采用的是合成荧光粉粉末，使用的射线管具有钼阳极，用由镍箔制成的过滤器使其单色化，在这种情况下电子束的能量为45KeV。
衍射图的结果和“平面角-强度”会被记录在坐标轴的坐标自动记录器上。确定主要的反射平面（HKE），之后传导对比所取得的X光射线图和固定在ASTM线轴上标准的X光射线图，发现其主要的反射平面角度为32.987°，荧光粉具有矿物石榴石立方晶体结构。所示的狭窄的衍射曲线表明荧光粉样品的结晶程度高。在该X射线图片中可以确定本发明的材料具有晶体结构。
在图2中，所示的荧光粉的成份为：
(Lu0.93Ce0.03Gd0.04)3(Al1.98Ga0.02)Al3O3.98F0.01N0.01)3
该光谱图是采用“三色”光谱测量仪测得的。
在图3a中所示的荧光粉的成份为：
(Lu0.89Ge0.03Gd0.08)3(Al1.5Ga0.5)Al3O11.94F0.03N0.03
在图3b中所示的仍然是图3a中所示的荧光粉，但是该荧光粉具有更短的激发波长（450nm）。
在图4中所示荧光粉N4的成份为：
(Lu0.48Gd0.48Ce0.04)3(Al1Ga1)Al3O11.92F0.04N0.04
在图5的光谱图中所示荧光粉样本N5的成份为：
(Lu0.40Gd0.57Ce0.03)3(Al1.6Ga0.4)Al3O11.92F0.04N0.04
在图6的光谱图中所示荧光粉样本N6的成分为：
(Lu0.10Gd0.87Ce0.03)3(Al1.99Ga0.01)Al3O11.98F0.01N0.01
图7为聚合物转换层，其是由所示荧光粉以及聚碳酸酯组成的。
首先，本发明采用的合成荧光粉具有立方晶格结构。这种荧光粉具有化学计量比，所述的合成石榴石类型为钇铝石榴石。但是本发明荧光粉的一系列物理性质都和简单的YAG:Ce有所区别。首先，荧光粉的密度从ρ=6.60g/cm3变化至ρ=6.2g/cm3。密度是使用X射线数据计算的,其粉末的密度不低于Δρ=±0.05g/cm3。
第二，所示荧光粉的重要特征在于相对小的斯托克斯发光位移。在这种情况下，从光谱最大激发光至光谱最大发光之间的距离会增加。在图2中，最大的激发光波长λ=465nm，最大的发光波长λ=541nm，斯托克斯位移Δ=541-465nm=76nm。对于无机荧光粉而言，这种斯托克斯位移并不大，通常为Δ=150-250nm，例如对于以磷钙锰为基质的发光二极管的荧光粉，该值Δ=620-254=356nm。
第三，也是所示荧光粉最重要的物理性质。在不同类型的激发下的发光：
---短波蓝光及λ=254-405nm的紫外光。
---能量从ε=100电子伏至ε=30千电子伏的电子束。
---最大能量极限超过1M电子伏的伽马射线。最不同寻常的特点在于，当所述的荧光粉被能量ε=10-100电子伏的缓慢中子束击中时的发光特点。当所述的荧光粉在从核反应通道中射出的中子束的照射下时，我们记录下了这一实验现象。即使在实验初期，所示发光样本材料的发光量子输出η也超出15%，之后其值η=18%，在任何可见光激发下对于所有无机荧光粉来说该值是非常高的。
本发明涉及一种镥-钆荧光粉，其特征在于：
(Lu0.96Gd0.01Ce0.03)3(Al0.99Ga0.01)2Al3O12-xFx/2Nx/20.001<x<0.3.其立方晶格值
本发明所示的材料的差异在于，已知的材料类型YAG Y3Al5O12的晶格参数
Figure BDA00002362040400052
对于钆-铝石榴石Gd3Al5O12来说，在现有的文献中引用的晶格参数值为
Figure BDA00002362040400053
本发明的荧光粉，当其中含有大量的镥离子时，它的晶格参数就会很低。由于晶格参数不高，在X射线或者伽马量子激发下，本发明材料就会具有非常高的发光能量输出。我们发现，如图1和图2所示的本发明荧光粉的发光量子输出为从η=88%至90%，对于具有石榴石结构的无机荧光粉而言，这样的量子输出值非常高。根据许多已知的测量结果，对于工业石榴石荧光粉类型YAG:Ce而言，其量子输出为75-80%。
我们所述的系列荧光粉的这个重要优点，不仅在含有大量镥离子的材料中有所体现，而且在当镥离子不断减少，被钇离子的替换过程中还可以保持。这种现象我们也是第一次发现。通常在荧光粉体系中，例如在ZnS-CdS系中，以Ag为激活剂，在不同类型激发下其发光量子输出值从η=25%降至η＝19-20%。这种现象在Zn+2离子（离子半径为
Figure BDA00002362040400054
）取代Cd（离子半径为）时发生，这解释了晶体内杆减少的原因。在石榴石系列Lu3Al5O12-Gd3Al5O12中，也会产生类似的替换，由Lu+3离子（离子半径为
Figure BDA00002362040400056
）替换Gd离子（离子半径为
Figure BDA00002362040400057
），但是在广泛的范围内改变Lu及Gd的浓度不会降低它们发光量子输出。
在标有发光亮度及亮度能量数值（例如，不依赖于人眼的光谱敏感度曲线）的光谱图（图2、3a，3b、4、5）中这种现象是可以观察到的。
本发明荧光粉的一个优点在于本发明材料的化学计量式为：(Lu0.70Gd0.26Ce0.04)3Al1.50Ga0.50×Al3O11.94F0.03N0.03，晶格参数
Figure BDA00002362040400061
类似于这样的材料出自光谱图3b，光谱最大辐射为λ=547.8nm。
在本发明中，我们发现Lu3Al5O12-Gd3Al5O12系列立方晶格参数根据Vegard（维加德定律）的变化而变化，也就是说立方晶格参数的增长同钆离子的浓度增加成正比。这表明，对于在该系列中两种化合物，以铈Ce+3离子为激活剂，不间断地形成固溶体。本发明的荧光粉的最大辐射光谱非常窄，非常接近人眼光谱曲线的最高点（λ=555nm），如图4中所示的发光材料。
本发明的荧光粉还有一个非常重要的性能，即具有非常高的辐射流明当量。图4荧光粉的发光流明当量QL=420lm/W，而工业YAG:Ce荧光粉流明当量Q=310-340lm/W。
本发明的材料是以铝-钆石榴石为基质，这也是本发明的材料的一个重要优势的体现，该材料化学计量为：
(Lu0.005Gd0.965Ce0.03)3Al1Ga1Al3O11.92F0.04N0.04
其具有立方晶格参数
Figure BDA00002362040400062
本发明的材料具有非常重要的特性，体现在其在低能量的中子束的激发下非常高的发光。通常这样的中子束被称为“冷中子”。
本发明的发光材料中钆离子的浓度很高。在本发明中发现这样的材料其光谱反射及粉末颜色都会变化，如果含有大量的镥离子的荧光粉通常为绿色，那么含有大量的钆离子的荧光粉则为黄色。荧光粉的颜色可以改变这一优点在本发明的一个具体实施方式中也有所体现，其特征在于：
(Lu0.005Gd0.965Ce0.03)3Al0.5Ga1.5×Al3O11.90F0.05N0.05
根据本发明的描述，在发光材料中部分的氧离子被替换成氟离子F-1及氮N-3。本发明所提议的材料的结构数据会在下文告知。
石榴石晶体结构的辐射非常好，石榴石的单元格含有20个分子单位，这些分子单位通常写为：Lu3(Al)2{AlO3}4。结果发现，石榴石中铝离子以及钆离子的配位数为8，部分铝离子（及镓）的配位数为6，剩余的铝离子配位数为4。他们位于四面体的中心（立体四边体），在其顶点有四个氧离子O-2。传统上，对于所有熟知的具有的石榴石结构的材料来说，当其中部分稀土离子Ln或者铝离子替换了其他的离子时，这些材料的特性就会改变。在Lu3Al5O12类石榴石晶格中存在8×8=64。在实践中只有一些鲜为人知的材料在四面体AlO4中部分的氧离子被替换成其他离子。这种化合物，我们曾首次在“[氮氧化物，钆，铟，及铝，结构和设备。全俄罗斯第六次会议论题。圣彼得堡16-20.2008]”中提及。
--钆石榴石可以称为“氟-氮-铝钆石榴石”，
--钆石榴石，本申请人之前的专利申请中有很多对于这样内容的描述，当部分镥离子被钆离子替换（晶格中参数“a”增加）时，会对晶格参数产生影响。F-1离子及N-3会复杂些。首先这些离子是通过多价替换机制进入晶格的。氟离子替换氧离子形成一个中心，写成(Fo)'的形式，这个中心缺少一个负电荷，所以Fo上方带着符号“′”。当三重电荷N-3氮离子替换氧离O-2时，就会产生另一个含有负电荷的中心（No）。在多价替换机制下，正电荷和负电荷平衡的原则是必须遵守的。也就是说，(No)′＝(Fo)'。
此外，我们解释一下在类似于这样的异价替换时晶格参数的改变。氟离子F-离子半径为
Figure BDA00002362040400071
相比较，氧离子离子半径为
Figure BDA00002362040400072
当F-1离子进入石榴石结构的化合物时，其晶格参数应该减小。类似的现象已在Soshchin N P.Lo WEi Hung/Pros 6 Russin conference>>NitrideIn-Ga-Al>>，Peteerburg.2008.p117-118中描述过。三重电荷离子N-3的离子半径非常大，为
Figure BDA00002362040400073
因而，在N-3离子进入具有石榴石结构的化合物晶格中时，其晶格参数应该变大。类似这样的现象同样出现在Soshchin N P.Lo WEi Hung/Pros 6 Russin conference>>NitrideIn-Ga-Al>>,Peteerburg.2008.p117-118中，本发明的石榴石合成物的晶格参数增加了
Figure BDA00002362040400074
当在其成份中引入氮离子[N-3]=0.01。当氟离子的浓度为[F-1]=0.02原子百分比时，引入氟离子F-1，“a”参数就会减少，其值
Figure BDA00002362040400075
因此对于含有2F及2N-3的荧光粉来说，其晶格参数应该减小
Figure BDA00002362040400076
类似的值在我们的实践中可以发现。
必须指出，本发明的两种多配体石榴石还具备一个特点，F-1及N-3离子不仅仅具有不同的离子半径，还有不同的体积。
氟离子明显比氮离子的容积（范围）小，由此该四面体的组份[AlO2FN]会减少自身的对称性。这首先破坏了辐射光谱曲线对称性，这样的曲线通常有“高斯积分”的外形及相应的穿过最大光谱的轴对称。在图2、3a，3b、4、5中可以看出，所有的光谱曲线都会向长波的方向拓宽，也会延长长波方向的辐射。这是本发明的荧光粉的重要性能，这种非常重要的特性可以改变荧光粉的发光特点，如演色系数Ra，必须指出，本发明的荧光粉演色系数值Ra很高。
本发明的镥-钆荧光粉的主要优势在于所含成份如第一项计量公式所述，特征在于，所述荧光粉在λ=465nm的短波激发下辐射，光谱最大波长λ=541nm，这个辐射在图2中有所体现。本发明的荧光粉斯托克斯位移数值很小，为Δ=76nm，第二，荧光粉样本光谱曲线半波宽数值很高，为Δ0.5=157.3，这也和辐射光谱图的短波部分与激发射线部分重合有关，因为不能将辐射激发光谱图与荧光粉分开。第三，荧光粉的辐射色坐标总和等于∑х+у=0.3317+0.4462+(х+у)=0.9380（其中∑х+у=0.16是蓝色激发坐标的总和），这对于绿色辐射来说非常高。在本领域中，下述两种是熟知的绿色荧光粉，一种是正硅酸盐，锌，锰Zn2SiO4:Mn，第二种是正硼酸盐，铈，铽YbO3Tb，这两种荧光粉都有相应的色坐标，对于第一种材料，色坐标的总数为х+у=0.21+0.71=0.92，对于第二种材料，色坐标的总数为х+у=0.35+0.58=0.93。
色坐标总数数值很高这个重要优势在镥-钆荧光粉中也有体现，其成份如计量公式第一项所述，其特征在于，在含镥Lu>0.70时，荧光粉在黄-绿色区域辐射，其最大光谱波长辐射λ>550nm。
如图4辐射光谱图所示，辐射色坐标的总和更高，Σх+у>0.978，其光谱最大辐射值位于λ=550nm。该光谱半波宽为Δ0.5=129.2nm，肉眼看起亮度非常高，单位为18576cd/m2，该样本的流明当量为QL=425lm/W。这些数据都非常重要，显示了本发明荧光粉的优势。该优势在含有基本离子当量浓度为[Lu]＝[Gd]=0.48的镥-钆荧光粉中也有体现，其特征在于，所指的辐射材料在黄光可见区域辐射，具有波长超过560nm。
这个材料的特点是，其具有非常高的色坐标总数，为Σх+у=0.4023+0.4288+0.16=0.9911，并且其辐射光谱半波宽为Δ0.5=133.1nm，类似于这样的辐射光谱曲线半波宽数值，对于具有石榴石结构的发光材料来说是很少见的。通常这种材料的半波宽都是从Δ0.5=115nm至Δ0.5=125nm。
对于混合荧光粉，或者带有宽频带发光接收器的闪烁体来说，大的半波宽是非常合适的。这种使用上的优势，在所提议的镥-钆荧光粉中有所体现，该荧光粉中钆的浓度很高，[Gd]>0.9原子分数，其特征在于，所述荧光粉在橙-红色光谱区域辐射，波长超出λ>580nm，类似于这样的荧光粉如图5所示，色坐标总和(х+у)>0.92，光谱波长半波宽Δ0.5=128nm。
这样特性的荧光粉具有高色纯度以及高演色系数。
所有本发明的荧光粉样本参数都具有高量子产率，通常超出90%。类似于这样的值对于无机材料而言非常罕见。必须指出，这决定了发射光子数的比例。获取部分类似的有效参数，当量子辐射激发程度大约为2至5电子伏（eV）时，经常会用到类似参数。类似于这样确定荧光粉材料质量的方法不可以用在当量子激发能量超过100电子伏（eV）时。这种复杂的情况在于，荧光粉材料中高能量的量子分解成了一些电子空穴以及等离子体激元（后者是任何材料化学联系的能源构成），每一个像这样的孔（或者等离子体激元）都会引发发光物质的量子辐射，但是对于高能量激发量子来说辐射数量特别大，因此对于高能量激发，例如电子，X射线，伽马射线，采用的是整体辐射能量输出概念，这等于整体辐射能量的吸收率。在这样的情况中，能量的输出小于1个单位。同样我们指出CdWO4的闪烁分布通常是6%，高质量的氧基化合物（羟基化合物）Gd2O2STb闪烁分布通常是16-20%，在测量该参数时必须准确的测量总能量激发以及确定辐射能量。
在本发明中，也准备了放射性同位素辐射集中的特殊的闪烁体，闪烁体是由特殊的带状聚合物制成，聚合物是由所提议的铝钆荧光粉中的纳米颗粒填充（如图7所示）。聚合物使用聚碳酸酯制成，该聚合物的结构成份中含有-С-О-С，该聚碳酸酯的重均分子质量大约为15000道尔顿，Da（极限值）。如果在氯溶化剂中含有大量的聚碳酸酯，那么其溶解度不好，如果含有少量的聚碳酸酯，例如M=10000道尔顿，那么其薄膜的耐久度（强度）低，通常制备闪烁薄膜的技术如下：准备一定数量所提议的荧光粉，让它和聚碳酯酸颗粒混合在一起，注入氯溶剂。氯溶剂中含有甲叉二氯。在发明的过程中我们发现了荧光粉颗粒的数量对聚合物薄膜的发光和亮度的影响。如果荧光粉浓度小于8%（即在薄膜中采用8%的荧光粉颗粒及92%的薄膜），带有荧光粉的发光辐射薄膜的辐射非常小。当浓度的区间是8%-18%时，薄膜的辐射能力有所提高。如果荧光粉颗粒的浓度超过25%，薄膜表面就会非常地脆。因此荧光粉颗粒的最佳浓度参数为18%。
在把聚碳酸酯颗粒溶入甲叉二氯，并把该溶液和浓度为18%的荧光粉混合后，把获取的悬浮液浇铸在专业浇铸设备的金属板上。标准的铸造聚合物薄膜的铸造设备包括拉丝模，它可以调整移动曝光金属磁带上浆状物及电力驱动的数量。在设备上有一个特殊的区域，其中暖空气气流干燥及红外发光可使铸造面变干。主要薄膜的运动速度为1分钟5厘米。荧光粉最佳的浓度是18%，荧光粉薄膜的最佳厚度为120μm。
测量闪烁薄膜能量输出是在一个专门的小室（箱）内，那里的辐射来源于一个高压X射线管。该管作为钨阴极以及X射线辐射输出的特殊窗口。X光射线量子能量为25千电子伏-125千电子伏。
将闪烁薄膜固定在圆柱型光纤聚合物上，聚合物两端都固定有辐射接收器。当对X射线管上施加压力时，出现的X光射线就会使闪烁器发光。我们测量了在三种不同X光辐射能量辐射下的能量输出。所得的数据如表1所示。
本发明涉及荧光粉的合成方法。
本发明的镥-钆荧光粉
本发明涉及不同类型的荧光粉合成方法：
---获取出自氮化物以及稀土元素盐类乙酸溶液成份，铝及钆的共同沉淀（表面涂层）。所取的燃烧层含有添加尿素及乙氨酸
---固相合成。
按照最终的产品数量最后一种合成方法是最佳的，即固相合成法。我们采用纯度为4N及分散度d50=0.5μm的稀土氧化物作为最初的试剂，甚至还有氢氧化铝及高纯度的镓。其配料的成份采用：
(Lu0.48Gd0.48Ce0.04)3(Al1Ga1)Al3O11.92F0.04N0.04
其中采用：
Figure BDA00002362040400101
Figure BDA00002362040400111
在矿化物的炉料中引入氟化钡0.05M作为矿化剂，炉料混合30分钟，装载入100ml容积的刚玉石容器中，将炉料放入含还原气体2NH3→3H2+N炉中烧制，炉温从280°С升至1600°С，时间为6小时，然后将炉料取出进行酸洗，酸洗的比例为НСl:HNO3=1:1，除去矿化物剩余物。在荧光粉颗粒表面1%的容积包覆ZnO×SiO2薄膜，厚度为100nm，以防止荧光粉粘合，所得颗粒的平均粒径为2.98μm，其发光技术参数如图4。
铝钆荧光粉的能量输出
表1
上述数据可以制成以下所述的荧光粉的闪烁薄膜：
---本发明的闪烁器和荧光粉具有非常高的能量效率，比在X射线辐射激发下的水平为10-12%的能源效率相比高出许多。
---能量效率和X射线辐射激发能量一起增加，当其能量E=120-140千电子伏时饱和，能量输出不会增加了。
---当荧光粉中镥的浓度很高时，能量效率会更高。
---氧的替换，在荧光粉的成份中引入F及N，其发光输出就会增加。单位荧光粉Y3Al5O12:Ce的能量输出9.8%。
---随着替换阴离子亚晶格中铝的鎵比率的增加，能量输出也会增加。通过与已知的并广泛使用的以卤化物稀土金属，例如La(Ce,Br)3:Ce为基质的闪烁器相比，使用的闪烁器的能量不会超出4-5%，这与本发明的材料相比明显低。除此以外，稀土卤化物具有吸湿性，然而本发明的荧光粉在强矿物酸中可以煮很长的时间。
闪烁器薄膜在高能量同位素集中时的效率最高。在上述闪烁器薄膜的帮助下我们可以检测到在1电子伏的伽马射线上有高达55·103个光子，这也是一个非常大的数量。
本发明的闪烁荧光粉还具有一个特性：它的余晖时间很短，从表1所引用的数据可以看出，τ0.1余晖时间为52-75奈秒（ns），这个参数值非常高。
综上所述，本发明的荧光粉是高质量的闪烁体，可以用在核物理和核能源中。
本发明荧光粉的使用非常广泛，可以用在半导体发光技术另一个重要的领域，如图2、3a，3b、4、5中所示，本发明的荧光粉的成份都能被短波激发，尤其是最大光谱辐射波长至450nm的蓝光激发，同样重要地，激发和辐射之间数值不大，由此确定所有的合成具有高效率。
本发明的荧光粉的性质如本发明的光谱分析图2、3a、3b、4所示。在半导体发光二极管中使用本发明的荧光粉混合物可以得到非常高效并且稳定的白光。同样地，要取得白光要在氮化铟镓InGaN异质结中形成特殊的转换器，转换器由荧光粉颗粒组成，颗粒分布在聚合物薄膜中。荧光粉颗粒与第一次异质结蓝光辐射相互作用，荧光粉受激发发光，其颜色取决于荧光粉的成份。颜色可以为绿色，绿-黄色，黄色，或者橙红色。而已知的仪器不足之处在于，所取得的具有第一异质结蓝光的发光混合物并不能永远保证得到高品质的白光（所取得的白光一定具有明显的绿色，黄色及橙色）。
在本发明中，如果得到高品质白光发光二极管，必须采用至少三种本发明所述的荧光粉组分，其一，必须具有非常高含量的镥，该荧光粉的成份为：(Lu0.92Gd0.05Ce0.03)3(Al,Ga)2Al3O11.98F0.01N0.01或类似于此的，如图2、3a，3b所示。
第二种混合荧光粉要使用Lu及Gd浓度相当的荧光粉，如图4所示。这种荧光粉的最大光谱λ=569nm。第三种合成荧光粉，所采用的荧光粉最大光谱波长λ=550nm，所取得的自然白光色温T为4500-5000K。如果所得到的暖白光色温T<4000К，那么第三种合成荧光粉就要采用荧光粉成份N5，如图5所示。
使用了本发明荧光粉的发光二极管的结构，与标准的发光二极管的结构没有什么实质性的差别。发光二极管的构成：晶体支架，通常采用单晶蓝宝石；导电引线；以多层InGaN结构为基质的异质结；包覆在异质结辐射的表面及棱面的发光转换器；圆锥形蓄光器及球型透镜。发光转换器可以采用本发明上述的聚碳酸酯薄膜，薄膜内含有荧光粉。
当安装发光二极管时，球形透镜和发光转化器的表层之间的空隙用有机聚合物填充，聚合物是在120°的温度下热加工发光二极3小时后发生聚合的，正如在本发明的具体实施方式中，以如本发明所述的三类发光材料为基质的发光二极管，能发出较好的白光，白光色温在Т=4000К-Т=4500К之间。
这是本发明的以半导体InGaN异质结为基质的白光发光二极管非常重要的特性，其具备发光转换器，其特征在于，该转换器的组成包括至少上述的三种荧光粉，最大光谱波长为λ1=541nm、λ2=550nm、λ3=569nm及λ4=585nm。采取同样的百分比计算，在短波λ>450nm激发下形成白光，其色温4000<Т<4500，演色系数Ra>75。
我们采用本发明的三种不同的荧光粉（如图2、图3a、图3b、图4及图5）来制备发光转换器，该发光转换器为以聚碳酸酯为基质的柔软的聚合物薄膜。与荧光粉之间的质量比例为1/3:1/3:1/3，荧光粉混合物的浓度在聚碳酸酯中占16%质量，如图6所示的发光转换薄膜。从图6中可以看出，当转换薄膜的厚度为120μm时，其会非常柔软，辐射结构被切割成专门的模具，尺寸和异质结表面相吻合，并且有专门的挡板来覆盖异质结的辐射棱面。用聚合胶来粘合转换器和异质结。当电源电压施加到LED时，半导体氮化物异质结会发出强大的蓝光.这种光穿透（渗透）发光转换层，引起其发光。发光转换器薄膜厚度的选择要遵循以下原则，薄膜能保存20-22%的第一次蓝光辐射，这样才能保证形成稳定的白光。
White=0.2[Blue]+0.8[Yellow]，其中White是白光，Blue（蓝光）为第一级蓝光辐射发光的质量，[Yellow]为荧光粉的发光质量，主要具有绿色、黄色、橙色。这种光形成于发光转换器中，是由于荧光粉颗粒辐射形成的。
在测量使用本发明荧光粉的发光二极管辐射的光学技术参数时，如果把激发功率由W=0.05变至W=1，发光二极管的光通量变成了6lm、23lm、42lm、88lm及98lm，当色温T=4100K时，上述发光效率值为η=120lm/W，当在T=3500K的色温下产生暖白光辐射时，发光效率会降低，其最大发光效率为92lm/W。
本发明的新型发光材料具有非常高的物理及物理化学参数。可在X光射线技术及半导体照明技术中广泛运用。本发明的荧光粉可大量用于工业生产中。

Claims (18)

1.具有石榴石结构的镥-钆荧光粉，其特征在于，该荧光粉的化学计量式为：
(LumGdnCeq)3(Al1-pGaP)2Al3O12-xFx/2Nx/2
其中0.1<m≤0.94，
0.01<n≤0.96，
0.01<q≤0.06，m+n+q=1，
0.001<x≤0.3，
0.001<p≤0.9。
2.根据权利要求1所述的具有石榴石结构的镥-钆荧光粉，其特征在于，所述荧光粉为：
(Lu0.96Gd0.02Ce0.02)3(Al0.99Ga0.01)2Al3O12-xFx/2Nx/2
0.001<x≤0.3，立方晶格参数
Figure FDA00002362040300011
3.根据权利要求1所述的具有石榴石结构的镥-钆荧光粉，其特征在于，所述荧光粉为：
(Lu0.94Ce0.04Gd0.02)3(Al1.99Ga0.01)Al3O11.96F0.02N0.02。
4.根据权利要求1所述的具有石榴石结构的镥-钆荧光粉，其特征在于，所述荧光粉为：
(Lu0.70Gd0.26Ce0.04)3Al1.50Ga0.50×Al3O11.94F0.03N0.03
晶格参数
Figure FDA00002362040300012
5.根据权利要求1所述的具有石榴石结构的镥-钆荧光粉，其特征在于，所述荧光粉为：
(Lu0.005Gd0.965Ce0.03)3(Аl0.25Ga0.75)2Al3O11.9F0.05N0.05。
6.根据权利要求1所述的具有石榴石结构的镥-钆荧光粉，其特征在于，所述荧光粉为：
(Lu0.005Gd0.965Ce0.03)3Al1Ga1Al3O11.92F0.04N0.04。
7.根据权利要求1所述的具有石榴石结构的镥-钆荧光粉，其特征在于，所述荧光粉为：
(Lu0.93Ce0.03Gd0.04)3(Al1.98Ga0.02)Al3O3.98F0.01N0.01)3。
8.根据权利要求1所述的具有石榴石结构的镥-钆荧光粉，其特征在于，所述荧光粉为：
(Lu0.89Ge0.03Gd0.08)3Al1.5Ga0.5Al3O11.94F0.03N0.03。
9.根据权利要求1所述的具有石榴石结构的镥-钆荧光粉，其特征在于，所述荧光粉为：
(Lu0.89Ge0.03Gd0.08)3Al1.5Ga0.5Al3O11.94F0.03N0.03。
10.根据权利要求1所述的具有石榴石结构的镥-钆荧光粉，其特征在于，所述荧光粉为：
(Lu0.48Gd0.48Ce0.04)3(Al1Ga1)Al3O11.92F0.04N0.04。
11.根据权利要求1所述的具有石榴石结构的镥-钆荧光粉，其特征在于，所述荧光粉为：
(Lu0.40Gd0.57Ce0.03)3(Al1.6Ga0.4)Al3O11.92F0.04N0.04。
12.根据权利要求1所述的具有石榴石结构的镥-钆荧光粉，其特征在于，所述荧光粉为：
(Lu0.10Gd0.87Ce0.03)3(Al1.99Ga0.01)Al3O11.98F0.01N0.01。
13.根据权利要求1所述的具有石榴石结构的镥-钆荧光粉，其特征在于，所述荧光粉在波长λ=465nm的短波激发下会发出绿光，光谱最大波长为λ=542nm。
14.根据权利要求1所述的具有石榴石结构的镥-钆荧光粉，其特征在于，所述荧光粉在波长λ≥450nm的短波激发下会发出黄光，光谱最大波长λmax>550nm。
15.根据权利要求1所述的具有石榴石结构的镥-钆荧光粉，其特征在于，所述荧光粉在波长λ>450nm的短波激发下会发出橙色光，光谱最大波长λmax>590nm。
16.根据权利要求1所述的具有石榴石结构的镥-钆荧光粉，其特征在于，所述荧光粉在能量E>0.1兆电子伏（MeV）的X光射线激发下会发出黄绿色光，其能量输出超过16%。
17.以半导体InGaN为基质的白光发光二极管，具有发光转换器，其特征在于，所述发光转换器采用如权利要求2-4所述的荧光粉；在波长λ<465nm的短波激发下会发出白光，色温T<4000K，显色指数Ra>75。
18.镥-钆荧光粉的混合物，其包括如权利要求1所述的镥-钆荧光粉和柔韧的聚合物薄膜，该聚合物薄膜是以聚碳酸酯为基质，其特征在于，所述聚合物保证了在伽马射线激发至60·103闪烁体/1M电子伏时，每一个闪烁体的余辉时间低于70ns。
CN2012104385216A 2012-11-06 2012-11-06 具有石榴石结构的镥-钆荧光粉及其应用 Pending CN103224795A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2012104385216A CN103224795A (zh) 2012-11-06 2012-11-06 具有石榴石结构的镥-钆荧光粉及其应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2012104385216A CN103224795A (zh) 2012-11-06 2012-11-06 具有石榴石结构的镥-钆荧光粉及其应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN103224795A true CN103224795A (zh) 2013-07-31

Family

ID=48835444

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2012104385216A Pending CN103224795A (zh) 2012-11-06 2012-11-06 具有石榴石结构的镥-钆荧光粉及其应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103224795A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106635016A (zh) * 2016-12-28 2017-05-10 诚善材料科技（盐城）有限公司 一种荧光粉及其制备方法和发光装置
CN107828412A (zh) * 2017-11-02 2018-03-23 杭州显庆科技有限公司 一种蓝色长余辉荧光粉及其制备方法
CN112573905A (zh) * 2020-12-24 2021-03-30 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种阴离子掺杂石榴石闪烁体及其制备方法与应用

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101475800A (zh) * 2009-01-23 2009-07-08 罗维鸿 以钆镥铈为基质的荧光粉及使用其的暖白光发光二极管

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101475800A (zh) * 2009-01-23 2009-07-08 罗维鸿 以钆镥铈为基质的荧光粉及使用其的暖白光发光二极管

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106635016A (zh) * 2016-12-28 2017-05-10 诚善材料科技（盐城）有限公司 一种荧光粉及其制备方法和发光装置
CN107828412A (zh) * 2017-11-02 2018-03-23 杭州显庆科技有限公司 一种蓝色长余辉荧光粉及其制备方法
CN107828412B (zh) * 2017-11-02 2018-12-04 宁波朗格照明电器有限公司 一种蓝色长余辉荧光粉及其制备方法
CN112573905A (zh) * 2020-12-24 2021-03-30 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种阴离子掺杂石榴石闪烁体及其制备方法与应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103003390B (zh) 氧氮化物磷光体、制备方法及发光仪器
TWI697544B (zh) 螢光體及其用途
TWI390012B (zh) White light emitting diodes and their oxyfluoride phosphor powder
Li et al. A strategy for developing thermal-quenching-resistant emission and super-long persistent luminescence in BaGa 2 O 4: Bi 3+
Lü et al. Generation of orange and green emissions in Ca 2 GdZr 2 (AlO 4) 3: Ce 3+, Mn 2+, Tb 3+ garnets via energy transfer with Mn 2+ and Tb 3+ as acceptors
Chen et al. Synthesis, luminescent properties and theoretical calculations of novel orange-red-emitting Ca2Y8 (SiO4) 6O2: Sm3+ phosphors for white light-emitting diodes
Penghui et al. Effects of crystal field on photoluminescence properties of Ca2Al2SiO7: Eu2+ phosphors
WO2013073598A1 (ja) 窒化物蛍光体とその製造方法
Korzhik et al. The scintillation mechanisms in Ce and Tb doped (GdxY1-x) Al2Ga3O12 quaternary garnet structure crystalline ceramics
US9583670B2 (en) Luminescence conversion element and optoelectronic semiconductor component comprising such a luminescence conversion element and method of producing same
Devys et al. A strategy to increase phosphor brightness: Application with Ce3+-doped Gd3Sc2Al3O12
Baur et al. Warm-white LED with ultra high luminous efficacy due to sensitisation of Eu 3+ photoluminescence by the uranyl moiety in K 4 (UO 2) Eu 2 (Ge 2 O 7) 2
Maggay et al. Novel red-emitting Ba3Y (BO3) 3: Bi3+, Eu3+ phosphors for N-UV white light-emitting diodes
Zhang et al. Structural and photoluminescence properties of a novel Ba2GdNbO6: Sm3+ phosphor
Ma et al. Structure and luminescence properties of multicolor phosphor Ba 2 La 3 (GeO 4) 3 F: Tb 3+, Eu 3+
Ding et al. Luminescence properties of Ca2Sn2Al2O9: Mn as a long afterglow and field-emission displays material with high yellow color purity
CN104204134B (zh) 荧光体、荧光体的制造方法及发光装置
Švančárek et al. Photoluminescence of (ZnO) XZ (SiO2) Y:(MnO) Z green phosphors prepared by direct thermal synthesis: The effect of ZnO/SiO2 ratio and Mn2+ concentration on luminescence
Bartosiewicz et al. Towards deliberate design of persistent phosphors: a study of La–Ga admixing in LuAG: Ce crystals to engineer elemental homogeneity and carrier trap depths
CN100560688C (zh) 长余辉发光材料及其制造方法
CN103224795A (zh) 具有石榴石结构的镥-钆荧光粉及其应用
Wang et al. A novel orange-red Ba3MgTa2O9: Eu3+ phosphor synthesis and luminescence properties in WLEDs
Gao et al. NaGd0. 4Eu0. 6Mg1–xZnxWO6 solid solution red phosphors: microstructure variation and luminescence enhancement induced by Zn2+-doping
JP2013127061A (ja) 窒化物蛍光体とその製造方法
Huang et al. Photoluminescence Properties of a Promising Red‐emitting Phosphor CaNb2O6: Eu3+ for Trichromatic White Light Emitting Diodes Application

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20130731