CN108998020A - 一种近红外荧光粉以及含该荧光粉的发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于发光材料技术领域，尤其涉及一种近红外荧光粉，还涉及含该荧光粉的发光装置。该近红外荧光粉包含化学式为AxRpQqOr:Dy的无机化合物，其中A为Zn，Ca，Mg，Sr和Ba元素中的一种或两种，R为Ga，Al和B元素中的一种或两种，Q为Ge和Si元素中的一种或两种，D为Ni和Yb元素中的一种或两种，其中必含Ni元素，2≤x≤4，1.5≤p≤2.5，0.8≤q≤1.2，6≤r≤10，0.0001≤y≤0.2。该化合物具有与尖晶石ZnGa2O4相同的晶体结构。本发明的发光材料能在近红外区域高效发射(1250～1300nm)，是一种理想的近红外发光材料，且含有该荧光粉的发光装置能够广泛应用于夜视监控、生物分析传感系统及生物成像系统等领域。

Description

一种近红外荧光粉以及含该荧光粉的发光装置
技术领域
本发明属于发光材料技术领域，尤其涉及一种近红外荧光粉，还涉及含该荧光粉的发光装置。
背景技术
随着物联网、生物辨识、穿戴式装置的兴起，各种传感器与影像辨识技术越显重要。红外LED具有的广泛应用特性，使其成为重要的辅助光源。通过结合感测装置与辨识技术，可应用于虹膜辨识和脸部辨识等特殊应用。亦或应用于穿戴式装置的生物传感器上，可以量化人体的生理状态，成为健康管理的新工具。鉴于智能手机、汽车、监控系统和其他应用红外LED渗透率激增，红外LED得到广泛关注。
目前红外LED主要应用在通讯、安全监控及感测器领域，并以波长850nm及940nm的红外LED为主。为了实现一些新的应用，如气体传感器或便携式/集成式光谱系统，需要长波长的红外发光材料。此外，长波长红外发光材料(位于1000-1400nm)由于穿入人体深度较深，从而被喻为生物透明窗口，可应用于深层生物医学成像、夜视监控等领域，因此，有必要开发蓝光、紫外光或红光激发的长波长红外发光材料。
CN 103320126 B公开了一类基体ZnZGaYGeXO(Z+1.5Y+2X)掺杂0-20mo1％碱金属或碱土金属元素的宽带白光长余辉材料。此材料可以在200-350nm范围内被激发，发光范围位于300-800nm，发光峰位于520nm。
F.Liu,Y.J.Liang and Z.W.Pan等人在Detection of Up-converted PersistentLuminescence in the Near Infrared Emittedby the Zn3Ga2GeO8:Cr3+,Yb3+,Er3+Phosphor[J].Physical Review Letters,2014,113:177401中公开了一种长余辉上转换荧光粉Zn3Ga2GeO8:Cr3+,Yb3+,Er3+，此荧光粉在980nm激发下，发射峰位于700nm。
现有的近红外短波光的获取方式主要有红外芯片，或卤素灯经过分光，或光致发光的过渡金属或稀土金属的氧化物，或电致发光的有机配合物(非文献专利2：J.K.Jian,S.Y.Li,et al.Synthesis and Properties of Amorphous Hole Transport Materialsof Triphenylamine Based Trihydrazones[J].Chemistry Letters,2004,33:50-51.非文献专利3：X.Z.Jiang,S.Liu,et al.Perfluorocyclobutane-Based Arylamine Hole-Transporting Materials for Organic and Polymer Light-Emitting Diodes[J].Advanced Functional Materials,2002,12:745-751.)。
然而，现有近红外发光装置中存在所使用的红外芯片激发效率低，成本高等问题。使用卤素灯则需要经过滤光，大部分光被分光导致使用效率偏低，同时卤素灯产热量大，无法应用于小型设备。而现有的电致发光材料装置和技术尚不成熟，且存在红外光谱部分发光效率低、稳定性差的问题。因此，有必要开发研究发光效率高、成本低且稳定性好的的新型红外发光装置。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明根据红外发光材料的新型应用的需要，提供了一种长波长方向的近红外发光材料，具体是提供一种可以被蓝光、紫外光或红光激发的长波长(1250-1300nm)红外荧光粉。通过掺杂Ni2+，在250-750nm范围内激发下，呈现宽带发射，发光峰位于1280nm。
本发明是通过下述的技术方案来解决以上的技术问题的：
一种近红外荧光粉，包含化学通式为AxRpQqOr:Dy的无机化合物，其中，A为Zn、Ca、Mg、Sr和Ba元素中的一种或两种，R为Ga，Al和B元素中的一种或两种，Q为Ge和Si元素中的一种或两种，D为Ni或者是Ni、Yb的组合，2≤x≤4，1.5≤p≤2.5，0.8≤q≤1.2，6≤r≤10，0.0001≤y≤0.2。
该无机化合物的晶体结构与尖晶石ZnGa2O4相同。
优选的，A为Zn；R为Ga；Q为Ge；x:(p+y):q:r＝3:2:1:8。
该荧光粉的激发峰峰值波长位于250-750nm之间，发射峰峰值波长位于1250-1300nm，适用于蓝光、紫外光或红光LED芯片。
上述的一种近红外荧光粉在发光材料中的应用、以及上述的一种近红外荧光粉在发光装置中的应用，也是本发明所要保护的范围。
一种上述的一种近红外荧光粉的发光装置，其中的红外荧光粉的制备方法如下：
混料A、R、Q和D所对应的化合物，该化合物包括氧化物、碳酸盐或硝酸盐，按化学计量比称重，研细，混匀，将所得混合物置于坩埚中，于1200-1500℃下，在空气或保护气体存在的情况下烧结2-10h，获得焙烧产物，焙烧产物进行破碎、研磨、分级、筛洗处理，获得近红外荧光粉。
一种发光装置，包含光源和发光材料，其发光材料为上述的近红外荧光粉。以上发光装置在近红外短波段探测设备、医疗设备中的应用，也是本发明所要保护的范围。
一种发光装置，包含发光元件、光转化部Ⅰ和光转化部Ⅱ，光转化部Ⅰ吸收发光元件发出的一次光，并转换为更高波长的二次光，光转化部Ⅱ吸收发光元件的一次光和光转化部Ⅰ发出的二次光，并转换为更高波长的三次光，所述光转化部Ⅰ至少含有发光材料Ⅰ，光转化部Ⅱ至少含有上述的近红外荧光粉。
优选的，发光材料Ⅰ是在发光元件激发下可以发射出峰值波长为580-650nm的发射光的发光材料。
一种发光装置，其中所含的发光材料Ⅰ为选自通式MmAlaSibNc:Eud或MeSifNg:Eun中的发光材料中的一种或两种，其中，M元素至少含有Ca和Sr中的一种或一种以上元素，0.8≤m≤1.2，0.8≤a≤1.2，0.8≤b≤1.2，2≤c≤4，0.0001≤d≤0.1，1.8≤e≤2.2，4≤f≤6，7≤g≤9，0.0001≤n≤0.1。
发光材料Ⅰ具有CaAlSiN3或Sr2Si5N8的晶型结构。
发光材料Ⅰ中，M为Ca和Sr元素，其中Sr元素与M元素的摩尔百分比为z，80％≤z＜100％。
发光元件为发射峰值波长范围为350-500nm的半导体芯片，优选的，发光元件为发射峰值波长范围为440-460nm的半导体芯片。
本发明基于前人研究，发现以Zn3Ga2GeO8为基质，掺杂不同稀土离子制得不同发射波长荧光粉的研究很少，特别是长波长方向的近红外荧光粉。本发明所提供一种蓝光、紫外光或红光激发下可以实现高效近红外光(1250～1300nm)发射的发光装置，解决了现有近红外发光材料和发光装置稳定性差、发光效率低等问题。
本发明的有益效果在于，本发明近红外荧光粉的激发波长在250-750nm，近红外光区的发射主峰为1150-1500nm的宽带发射，该近红外荧光粉的激发波长比较宽泛，在250-750nm范围可被有效激发，能很好的吸收紫外光、蓝光和红光，相对于其他体系无机发光材料有更强的近红外发光。Zn3Ga2GeO8结构稳定；并且本发明所提供的发光材料(荧光粉)具有很好的耐热性和耐水性以及光稳定性，制备工艺简单、成本较低，是一种理想的近红外装置应用材料。应用本发明的技术方案，通过组成如上所述的发光装置，能够在不同蓝光、近紫外光及红光激发下获得近红外光，不仅能够应用于夜视监控、医疗等领域，而且避免了其他红外光获取方式的弊端，本发明的发光装置发光效率高、成本低，可应用于各种类型设备。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为实施例1中所提供的发光装置的示意图，
图2为实施例1样品的激发与发射光谱图。
图中，1-光转化部Ⅰ，2-发光元件，3-引脚，4-热沉，5-基座，6-光转化部Ⅱ，7-塑料透镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式来对本发明作更进一步的说明，以便本领域的技术人员更了解本发明，但并不以此限制本发明。
实施例1
一种近红外荧光粉，其成分为Zn3Ga1.97GeO8:Ni0.03。按化学计量比称取ZnO，Ga2O3，GeO2和NiO经研磨混匀，然后置于坩埚中于1300℃在空气中煅烧2h，取出烧成的样品，经粉碎、研磨、除杂后、洗涤、过筛、烘干得到最终样品，然后对样品的光学性能进行测试。样品的激发与发射光谱图如附图2所示，从图2可以看出，该发光材料在250-320,370-450,500-750nm范围内有效激发，发射光谱呈宽带发射，发射波长覆盖1150-1500nm，发射峰位于1280nm，相对强度为120。
实施例2
一种近红外荧光粉，其成分为Zn2MgGa1.94Ni0.03GeO8:Yb0.03。按化学计量比称取ZnO，MgO，Ga2O3，GeO2，NiO和Yb2O3经研磨混匀后1300℃煅烧2h。取出烧成的样品，经粉碎、研磨、除杂后、洗涤、过筛、烘干得到最终样品，然后对样品的光学性能进行测试。该发光材料在460nm激发下，发射光谱呈宽带发射，发射主峰位于1271nm，相对强度为113。
实施例3
一种近红外荧光粉，其成分为Zn2Ga1.94Ni0.03GeO7:Yb0.03。按化学计量比称取ZnO，Ga2O3，GeO2，NiO和Yb2O3经研磨混匀后1300℃煅烧2h。取出烧成的样品，经粉碎、研磨、除杂后、洗涤、过筛、烘干得到最终样品，然后对样品的光学性能进行测试。该发光材料在460nm激发下，发射光谱呈宽带发射，发射主峰位于1277nm，相对强度为111。
实施例4
一种近红外荧光粉，其成分为Ca3Al1.94Ni0.03GeO8:Yb0.03。按化学计量比称取ZnO，Al2O3，GeO2，NiO和Yb2O3经研磨混匀后1200℃煅烧2h。取出烧成的样品，经粉碎、研磨、除杂后、洗涤、过筛、烘干得到最终样品，然后对样品的光学性能进行测试。该发光材料在460nm激发下，发射光谱呈宽带发射，发射主峰位于1265nm，相对强度为108。
实施例5-14
实施例5-14的红外荧光粉，均是以稀土离子Ni3+为发光中心。根据表1中所示的实施例5-14通式中的化学计量比，将ZnO，MgO，CaCO3，SrCO3，BaCO3，Al2O3，B2O3，GeO2，SiO2，NiO和Yb2O3准确称量后混合均匀后，于空气氛围下1100-1300℃煅烧2h，取出烧成的样品，经粉碎、研磨、除杂后、洗涤、过筛、烘干即得到具有实施例5-14化学式的样品。
分别取实施例5-14的近红外荧光粉进行光学性能测试，在460nm激发下，一系列荧光粉的发射波长位于1280nm左右，并随着不同阳离子的取代与取代量的不同，可实现光谱调控，对发光强度有所影响。实施例5-14近红外荧光粉的相对发光强度具体如表1所示。
对比例1
一种近红外发光材料，按化学式Y2.92Al5O12:Ce0.04Nd0.04的化学计量比，准确称取Y2O3、Al2O3、CeO2和Nb2O3均匀混合；将所得混合物于还原气氛下，1400℃煅烧5h，降温后获得焙烧产物；将所得焙烧产物进行破碎、研磨、分级、筛洗等后处理，即可得到近红外荧光粉样品，发射峰位于1063nm，设定其相对强度为100。
表1实施例5-14中合成的红外荧光粉与Zn3Ga1.97GeO8:Ni0.03的光色数据
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
下述实施例15-17为以本发明的近红外荧光粉材料制得的发光装置，即以现有技术中已知的发光装置结构为例，其结构如附图1所示，该发光装置包括基座5，并设有热沉4和引脚3，发光装置的光源为半导体芯片2，其光学材料部分包括光转化部Ⅰ2和光转化部Ⅱ6，其外层设有塑料透镜7。光转化部Ⅰ2吸收半导体芯片2发出的一次光并转换为更高波长的二次光，光转化部Ⅱ5吸收所述半导体芯片2的一次光和光转化部Ⅰ2发出的二次光，并将之转换为更高波长的三次光。
下述实施例15-17中所述发光装置选择性的仅设置所述光转化部Ⅱ6，或者同时设有所述光转化部Ⅰ2和光转化部Ⅱ6。其中，光转化部Ⅰ2至少包含峰值波长为580-650nm发射光的发光材料，光转化部Ⅱ6则至少包含本发明的近红外发光材料。
下述实施例15-17中发光装置的发光效率以含有上述对比例1的红外荧光粉的发光装置为对照装置。该荧光粉460nm激发下，发射峰值为1063nm，设定其发光光效为100。
表2本发明发光装置的结构信息和相对发光光效
根据上表数据可知，采用本发明所述近红外荧光粉材料制得的发光装置，其发光效率较高。

Claims (18)

1.一种近红外荧光粉，其特征在于，该荧光粉包含化学通式为AxRpQqOr:Dy的无机化合物，其中，A为Zn、Ca、Mg、Sr和Ba元素中的一种或两种，R为Ga，Al和B元素中的一种或两种，Q为Ge和Si元素中的一种或两种，D为Ni或者是Ni、Yb的组合，2≤x≤4，1.5≤p≤2.5，0.8≤q≤1.2，6≤r≤10，0.0001≤y≤0.2。
2.如权利要求1所述的一种近红外荧光粉，其特征在于，该无机化合物的晶体结构与尖晶石ZnGa2O4相同。
3.如权利要求1-2中任一项所述的一种近红外荧光粉，其特征在于，A为Zn。
4.如权利要求1-2中任一项所述的一种近红外荧光粉，其特征在于，R为Ga。
5.如权利要求1-2中任一项所述的一种近红外荧光粉，其特征在于，Q为Ge。
6.如权利要求1-2中任一项所述的一种近红外荧光粉，其特征在于，x:(p+y):q:r＝3:2:1:8。
7.如权利要求1-2中任一项所述的一种近红外荧光粉，其特征在于，该荧光粉的激发峰峰值波长位于250-750nm之间，发射峰峰值波长位于1250-1300nm，适用于蓝光、紫外光或红光LED芯片。
8.如权利要求1-2中任一项所述的一种近红外荧光粉在发光材料中的应用。
9.如权利要求1-2中任一项所述的一种近红外荧光粉在发光装置中的应用。
10.一种含有权利要求1-2中任一项所述的一种近红外荧光粉的发光装置，红外荧光粉的制备方法如下：
混料A、R、Q和D所对应的化合物，该化合物包括氧化物、碳酸盐或硝酸盐，按化学计量比称重，研细，混匀，将所得混合物置于坩埚中，于1200-1500℃下，在空气或保护气体存在的情况下烧结2-10h，获得焙烧产物，焙烧产物进行破碎、研磨、分级、筛洗处理，获得近红外荧光粉。
11.一种发光装置，包含光源和发光材料，其特征在于，所述发光材料为权利要求1-2中任一项所述的近红外荧光粉。
12.一种发光装置，其特征在于，该发光装置包含发光元件(2)、光转化部Ⅰ(1)和光转化部Ⅱ(6)，光转化部Ⅰ(1)吸收发光元件(2)发出的一次光，并转换为更高波长的二次光，光转化部Ⅱ(6)吸收发光元件(2)的一次光和光转化部Ⅰ(1)发出的二次光，并转换为更高波长的三次光，所述光转化部Ⅰ(1)至少含有发光材料Ⅰ，光转化部Ⅱ(6)至少含有要求1-7任一项所述近红外荧光粉。
13.如权利要求12所述的一种发光装置，其特征在于，发光材料Ⅰ是在发光元件(2)激发下可以发射出峰值波长为580-650nm的发射光的发光材料。
14.如权利要求12-13中任一项所述的一种发光装置，其特征在于，所述发光材料Ⅰ为选自通式MmAlaSibNc:Eud或MeSifNg:Eun中的发光材料中的一种或两种，其中，M元素至少含有Ca和Sr中的一种或一种以上元素，0.8≤m≤1.2，0.8≤a≤1.2，0.8≤b≤1.2，2≤c≤4，0.0001≤d≤0.1，1.8≤e≤2.2，4≤f≤6，7≤g≤9，0.0001≤n≤0.1。
15.如权利要求12-13中任一项所述的一种发光装置，其特征在于，发光材料Ⅰ具有CaAlSiN3或Sr2Si5N8的晶型结构。
16.如权利要求12-13中任一项所述的一种发光装置，其特征在于，发光材料Ⅰ中，M为Ca和Sr元素，其中Sr元素与M元素的摩尔百分比为z，80％≤z＜100％。
17.如权利要求12-13中任一项所述的一种发光装置，其特征在于，发光元件(2)为发射峰值波长范围为350-500nm的半导体芯片，优选的，发光元件(2)为发射峰值波长范围为440-460nm的半导体芯片。
18.如权利要求12-13中任一项所述的一种发光装置在近红外短波段探测设备、医疗设备中的应用。
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