CN104178162A - 铈掺杂稀土硼铝酸盐的发光薄膜及其制备方法和电致发光器件 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电材料领域，其公开了一种铈掺杂稀土硼铝酸盐的发光薄膜及其制备方法和电致发光器件；该发光薄膜的其化学通式为:MAl3(BO3)4:xCe3+；其中，MAl3(BO3)4是基质，Ce3+是激活光离子，为发光薄膜的发光中心，M选自Y，La，Gd或Lu元素，x的取值范围为0.01～0.05。铈掺杂稀土硼铝酸盐的发光薄膜，其电致发光谱（EL）中，在535nm位置有很强的发光峰。
Description
技术领域
本发明涉及光电材料领域，尤其涉及一种铈掺杂稀土硼铝酸盐的发光薄膜及其制备方法。本发明还涉及一种使用该发光薄膜作为发光层的电致发光器件。
背景技术
薄膜电致发光显示器(TFELD)由于其主动发光、全固体化、耐冲击、反应快、视角大、适用温度宽、工序简单等优点，已引起了广泛的关注，且发展迅速。目前，研究彩色及至全色TFELD，开发多波段发光的材料，是该课题的发展方向。
硼酸盐是稀土离子发光一类很好的基质材料，尤其是(Y,Gd)BO3:Eu，它作为红色荧光材料被广泛应用于等离子体显示PDP中。但是，用硼酸盐类发光材料制备成电致发光的薄膜，仍鲜见报道。
发明内容
基于上述问题，本发明提供一种铈掺杂稀土硼铝酸盐的发光薄膜。
本发明的技术方案如下:
本发明提供的铈掺杂稀土硼铝酸盐的发光薄膜，其化学通式为:MAl3(BO3)4:xCe3+；其中，MAl3(BO3)4是基质，Ce3+是激活光离子，在薄膜中充当主要的发光中心，x的取值0.01～0.05，优选0.03，M选自Y，La，Gd或Lu元素。
本发明还提供上述铈掺杂稀土硼铝酸盐的发光薄膜的制备方法，其利用磁控溅射设备来制备，工艺步骤如下:
（1）、陶瓷靶材的制备:分别称取M2O3，Al2O3，B2O3和CeO2粉体，均匀混合后，在900～1300℃下烧结，制得陶瓷靶材，其中，M2O3，Al2O3，B2O3和CeO2的摩尔比为1:3:4:2x；
优选，对陶瓷靶材进行切割，其规格为Φ50×2mm；烧结温度优选1250℃。
（2）、将制得的陶瓷靶材和ITO玻璃衬底装入镀膜设备的腔体中，密封腔体后，对腔体进行抽真空处理，控制腔体真空度为1.0×10-3Pa～1.0×10-5Pa；
优选，ITO玻璃衬底在放入腔体前需清洗处理:先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗带ITO的玻璃衬底，并用对其进行氧等离子处理，然后再放入真空腔体中；
抽真空处理是采用机械泵和分子泵把腔体进行的；腔体真空度为5.0×10-4Pa。
（3）、设置镀膜工艺参数:设置基靶间距为45～95mm，衬底温度为250℃～750℃，过程中通入流量为10～35sccm的氩气工作气体，工作压强为0.2～4Pa；待工艺参数设置完成后，进行镀膜处理，得到样品，随后将样品置于0.01Pa真空炉中500～800℃下退火处理1～3h；随后在ITO玻璃衬底的ITO层表面制得铈掺杂稀土硼铝酸盐的发光薄膜，该发光薄膜的其化学通式为:MAl3(BO3)4:xCe3+；其中，MAl3(BO3)4是基质，Ce3+是激活光离子，为发光薄膜的发光中心，M选自Y，La，Gd或Lu元素，x的取值范围为0.01～0.05；
优选，镀膜工艺参数为:基靶间距为70mm，衬底温度为500℃，过程中通入流量为25sccm的氩气工作气体，工作压强为2.0Pa,退火温度为600℃，退火时间为2h；以及x的取值为0.03。
本发明还提供一种电致发光器件，包括玻璃衬底、ITO阳极、发光薄膜层以及阴极层，其中，所述发光薄膜为铈掺杂稀土硼铝酸盐的发光薄膜，其化学通式为:MAl3(BO3)4:xCe3+；其中，MAl3(BO3)4是基质，Ce3+是激活光离子，为发光薄膜的发光中心，M选自Y，La，Gd或Lu元素，x的取值范围为0.01～0.05。
电致发光器件的制备工艺如下:
（1）、陶瓷靶材的制备:分别称取M2O3，Al2O3，B2O3和CeO2粉体，均匀混合后，在900～1300℃下烧结，制得陶瓷靶材，其中，M2O3，Al2O3，B2O3和CeO2的摩尔比为1:3:4:2x；
（2）、将制得的陶瓷靶材和ITO玻璃衬底装入镀膜设备的腔体中，密封腔体后，对腔体进行抽真空处理，控制腔体真空度为1.0×10-3Pa～1.0×10-5Pa；
（3）、设置镀膜工艺参数:设置基靶间距为45～95mm，衬底温度为250℃～750℃，过程中通入流量为10～35sccm的氩气工作气体，工作压强为0.2～4Pa；待工艺参数设置完成后，进行镀膜处理，得到样品，随后将样品置于0.01Pa真空炉中500～800℃下退火处理1～3h；随后在ITO玻璃衬底的ITO层表面制得铈掺杂稀土硼铝酸盐的发光薄膜，该发光薄膜的其化学通式为:MAl3(BO3)4:xCe3+；其中，MAl3(BO3)4是基质，Ce3+是激活光离子，为发光薄膜的发光中心，M选自Y，La，Gd或Lu元素，x的取值范围为0.01～0.05；
（4）、步骤（3）制得含发光薄膜的ITO玻璃衬底以及Ag纳米粒子移入真空蒸镀设备中，在发光薄膜表面蒸镀一层起阴极作用的Ag层；
待上述步骤完成后，制得电致发光器件。
本发明采用磁控溅射设备，制备铈掺杂稀土硼铝酸盐发光薄膜，得到薄膜的电致发光谱（EL）中，在535nm位置有很强的发光峰。
附图说明
图1为实施例3制得的发光薄膜样品的EL光谱图；
图2为实施例12制得的电致发光器件结构示意图。
具体实施方式
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
选用Y2O3，Al2O3，B2O3和CeO2粉体，分别为1mmol，3mmol，4mmol，0.06mmol，经过均匀混合后，在1250℃下烧结成Φ50×2mm的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内。然后，先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗带ITO的玻璃衬底，并用对其进行氧等离子处理，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为60mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到5.0×10-4Pa，氩气的工作气体流量为25sccm，压强调节为2.0Pa，衬底温度为500℃。得到的样品在0.01Pa真空炉中退火2h，退火温度为600℃，得到样品YAl3(BO3)4:0.03Ce3+发光薄膜。
实施例2
选用Y2O3，Al2O3，B2O3和CeO2粉体，分别为1mmol，3mmol，4mmol，0.02mmol，经过均匀混合后，在900℃下烧结成Φ50×2mm的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内。然后，先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗带ITO的玻璃衬底，并用对其进行氧等离子处理，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为45mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到1.0×10-3Pa，氩气的工作气体流量为10sccm，压强调节为0.2Pa，衬底温度为250℃。得到的样品在0.01Pa真空炉中退火1h，退火温度为500℃得到样品YAl3(BO3)4:0.01Ce3+发光薄膜。
实施例3
选用Y2O3，Al2O3，B2O3和CeO2粉体，分别为1mmol，3mmol，4mmol，0.12mmol，经过均匀混合后，在1300℃下烧结成Φ50×2mm的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内。然后，先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗带ITO的玻璃衬底，并用对其进行氧等离子处理，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为95mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到1.0×10-5Pa，氩气的工作气体流量为35sccm，压强调节为4.0Pa，衬底温度为750℃。得到的样品在0.01Pa真空炉中退火3h，退火温度为800℃得到样品YAl3(BO3)4:0.06Ce3+发光薄膜。
图1为实施例3制得的发光薄膜样品的EL光谱图；从图1可知，在535nm位置有很强的发光峰。
实施例4
选用La2O3，Al2O3，B2O3和CeO2粉体，分别为1mmol，3mmol，4mmol，0.06mmol，经过均匀混合后，在1250℃下烧结成Φ50×2mm的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内。然后，先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗带ITO的玻璃衬底，并用对其进行氧等离子处理，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为60mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到5.0×10-4Pa，氩气的工作气体流量为25sccm，压强调节为2.0Pa，衬底温度为500℃。得到的样品在0.01Pa真空炉中退火2h，退火温度为600℃，得到样品LaAl3(BO3)4:0.03Ce3+发光薄膜。
实施例5
选用La2O3，Al2O3，B2O3和CeO2粉体，分别为1mmol，3mmol，4mmol，0.02mmol，经过均匀混合后，在900℃下烧结成Φ50×2mm的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内。然后，先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗带ITO的玻璃衬底，并用对其进行氧等离子处理，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为45mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到1.0×10-3Pa，氩气的工作气体流量为10sccm，压强调节为0.2Pa，衬底温度为250℃。得到的样品在0.01Pa真空炉中退火1h，退火温度为500℃得到样品LaAl3(BO3)4:0.01Ce3+发光薄膜。
实施例6
选用La2O3，Al2O3，B2O3和CeO2粉体，分别为1mmol，3mmol，4mmol，0.12mmol，经过均匀混合后，在1300℃下烧结成Φ50×2mm的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内。然后，先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗带ITO的玻璃衬底，并用对其进行氧等离子处理，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为95mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到1.0×10-5Pa，氩气的工作气体流量为35sccm，压强调节为4.0Pa，衬底温度为750℃。得到的样品在0.01Pa真空炉中退火3h，退火温度为800℃得到样品LaAl3(BO3)4:0.06Ce3+发光薄膜。
实施例7
选用Gd2O3，Al2O3，B2O3和CeO2粉体，分别为1mmol，3mmol，4mmol，0.06mmol，经过均匀混合后，在1250℃下烧结成Φ50×2mm的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内。然后，先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗带ITO的玻璃衬底，并用对其进行氧等离子处理，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为60mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到5.0×10-4Pa，氩气的工作气体流量为25sccm，压强调节为2.0Pa，衬底温度为500℃。得到的样品在0.01Pa真空炉中退火2h，退火温度为600℃，得到样品GdAl3(BO3)4:0.03Ce3+发光薄膜。
实施例8
选用Gd2O3，Al2O3，B2O3和CeO2粉体，分别为1mmol，3mmol，4mmol，0.02mmol，经过均匀混合后，在900℃下烧结成Φ50×2mm的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内。然后，先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗带ITO的玻璃衬底，并用对其进行氧等离子处理，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为45mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到1.0×10-3Pa，氩气的工作气体流量为10sccm，压强调节为0.2Pa，衬底温度为250℃。得到的样品在0.01Pa真空炉中退火1h，退火温度为500℃得到样品GdAl3(BO3)4:0.01Ce3+发光薄膜。
实施例9
选用Gd2O3，Al2O3，B2O3和CeO2粉体，分别为1mmol，3mmol，4mmol，0.12mmol，经过均匀混合后，在1300℃下烧结成Φ50×2mm的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内。然后，先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗带ITO的玻璃衬底，并用对其进行氧等离子处理，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为95mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到1.0×10-5Pa，氩气的工作气体流量为35sccm，压强调节为4.0Pa，衬底温度为750℃。得到的样品在0.01Pa真空炉中退火3h，退火温度为800℃得到样品GdAl3(BO3)4:0.06Ce3+发光薄膜。
实施例10
选用Lu2O3，Al2O3，B2O3和CeO2粉体，分别为1mmol，3mmol，4mmol，0.06mmol，经过均匀混合后，在1250℃下烧结成Φ50×2mm的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内。然后，先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗带ITO的玻璃衬底，并用对其进行氧等离子处理，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为60mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到5.0×10-4Pa，氩气的工作气体流量为25sccm，压强调节为2.0Pa，衬底温度为500℃。得到的样品在0.01Pa真空炉中退火2h，退火温度为600℃，得到样品LuAl3(BO3)4:0.03Ce3+发光薄膜。
实施例11
选用Lu2O3，Al2O3，B2O3和CeO2粉体，分别为1mmol，3mmol，4mmol，0.02mmol，经过均匀混合后，在900℃下烧结成Φ50×2mm的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内。然后，先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗带ITO的玻璃衬底，并用对其进行氧等离子处理，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为45mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到1.0×10-3Pa，氩气的工作气体流量为10sccm，压强调节为0.2Pa，衬底温度为250℃。得到的样品在0.01Pa真空炉中退火1h，退火温度为500℃得到样品LuAl3(BO3)4:0.01Ce3+发光薄膜。
实施例12
本实施为电致发光器件，如图2所示，其中，1为玻璃衬底；2为ITO透明导电薄膜，作为阳极；3为发光材料薄膜层；4为Ag层，作为阴极。
选用Lu2O3，Al2O3，B2O3和CeO2粉体，分别为1mmol，3mmol，4mmol，0.12mmol，经过均匀混合后，在1300℃下烧结成Φ50×2mm的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内。然后，先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗带ITO的玻璃衬底，并用对其进行氧等离子处理，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为95mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到1.0×10-5Pa，氩气的工作气体流量为35sccm，压强调节为4.0Pa，衬底温度为750℃。得到的样品在0.01Pa真空炉中退火3h，退火温度为800℃得到样品LuAl3(BO3)4:0.06Ce3+发光薄膜。然后在将发光薄膜移入真空蒸镀设备中，在发光薄膜上面蒸镀一层Ag，作为阴极。
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 (10)
1.一种铈掺杂稀土硼铝酸盐的发光薄膜，其特征在于，其化学通式为:MAl3(BO3)4:xCe3+；其中，MAl3(BO3)4是基质，Ce3+是激活光离子，为发光薄膜的发光中心，M选自Y，La，Gd或Lu元素，x的取值范围为0.01～0.05。
2.根据权利要求1所述的铈掺杂稀土硼铝酸盐的发光薄膜，其特征在于，x的取值为0.03。
3.根据权利要求1所述的铈掺杂稀土硼铝酸盐的发光薄膜，其特征在于，包括下述化学式的发光薄膜:
YAl3(BO3)4:0.03Ce3+；YAl3(BO3)4:0.01Ce3+；YAl3(BO3)4:0.06Ce3+；
LaAl3(BO3)4:0.03Ce3+；LaAl3(BO3)4:0.01Ce3+；LaAl3(BO3)4:0.06Ce3+；
GdAl3(BO3)4:0.03Ce3+；GdAl3(BO3)4:0.01Ce3+；GdAl3(BO3)4:0.06Ce3+；
LuAl3(BO3)4:0.03Ce3+；LuAl3(BO3)4:0.01Ce3+；LuAl3(BO3)4:0.06Ce3+。
4.一种铈掺杂稀土硼铝酸盐的发光薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:
陶瓷靶材的制备:分别称取M2O3，Al2O3，B2O3和CeO2粉体，均匀混合后，在900～1300℃下烧结，制得陶瓷靶材，其中，M2O3，Al2O3，B2O3和CeO2的摩尔比为1:3:4:2x；
将制得的陶瓷靶材和ITO玻璃衬底装入镀膜设备的腔体中，密封腔体后，对腔体进行抽真空处理，控制腔体真空度为1.0×10-3Pa～1.0×10-5Pa；
设置镀膜工艺参数:设置基靶间距为45～95mm，衬底温度为250℃～750℃，过程中通入流量为10～35sccm的氩气工作气体，工作压强为0.2～4Pa；待工艺参数设置完成后，进行镀膜处理，得到样品，随后将样品置于0.01Pa真空炉中500～800℃下退火处理1～3h；随后在ITO玻璃衬底的ITO层表面制得铈掺杂稀土硼铝酸盐的发光薄膜，该发光薄膜的其化学通式为:MAl3(BO3)4:xCe3+；其中，MAl3(BO3)4是基质，Ce3+是激活光离子，为发光薄膜的发光中心，M选自Y，La，Gd或Lu元素，x的取值范围为0.01～0.05。
5.根据权利要求4所述的铈掺杂稀土硼铝酸盐的发光薄膜的制备方法，其特征在于，所述陶瓷靶材制备过程中的烧结温度为1250℃。
6.根据权利要求4所述的铈掺杂稀土硼铝酸盐的发光薄膜的制备方法，其特征在于，所述抽真空处理是采用机械泵和分子泵把腔体进行的。
7.根据权利要求4所述的铈掺杂稀土硼铝酸盐的发光薄膜的制备方法，其特征在于，所述腔体真空度为5.0×10-4Pa。
8.根据权利要求4所述的铈掺杂稀土硼铝酸盐的发光薄膜的制备方法，其特征在于，所述镀膜工艺参数为:基靶间距为70mm，衬底温度为500℃，过程中通入流量为25sccm的氩气工作气体，工作压强为2.0Pa，退火温度为600℃，退火时间为2h。
9.根据权利要求4所述的铈掺杂稀土硼铝酸盐的发光薄膜的制备方法，其特征在于，x的取值为0.03。
10.一种电致发光器件，包括玻璃衬底、ITO阳极、发光薄膜层以及Ag阴极层，其特征在于，所述发光薄膜为铈掺杂稀土硼铝酸盐的发光薄膜，其化学通式为:MAl3(BO3)4:xCe3+；其中，MAl3(BO3)4是基质，Ce3+是激活光离子，为发光薄膜的发光中心，M选自Y，La，Gd或Lu元素，x的取值范围为0.01～0.05。
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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: 20141203 |