CN115746842B - 一种荧光粉及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种荧光粉及其制备方法和应用。本发明的荧光粉，化学式为Ca₂Sn_2‑xAl_{2‑ x}Si_xO₉:xCr³⁺，其中，x为Cr³⁺掺杂和Si⁴⁺掺杂的摩尔量，0.00≤x≤0.02。本发明的荧光粉，可有效被近紫外光激发，适用于近紫外光芯片。同时，能够发射较宽的近红外光，可用于防伪、红外夜视、食品检测和生物活体成像等应用。此外，该荧光粉还具有较高的相对灵敏度(S_r≥1％·K^‑1)的优点，在生物测温方面(25℃～50℃)和温度传感材料方面具有潜在的应用前景。本发明还提供了荧光粉的制备方法和应用。

Description

一种荧光粉及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于近红外光源材料技术领域，具体涉及一种荧光粉及其制备方法和应用。

背景技术

近红外光指波长在700nm至2500nm范围内的电磁波。近红外光在人脸识别、机器视觉、安保、防伪、智能控制、食品检测等领域展现出了广阔的应用前景。近年来，如何把近红外光源集成到手机等便携设备，从而便于对食品和身体进行随时检测，成为了学术界和工业界的研究热点。

目前的红外光源主要有卤钨灯，其发射光谱很宽，覆盖可见光和近红外光。但卤钨灯体积较大，很难集成到手机等小型设备中。此外，目前传统光源卤钨灯的光谱有相当大的一部分落在可见光区域，对于红外应用无实质贡献，所以卤钨灯的功耗过大。

LED有功耗低、响应快、寿命长、体积小等优点。近红外LED发展较快，已有大量产品在市面上存在，以850nm窄带LED和940nm窄带LED两种为主。850nm和940nm等波长的近红外LED拥有较高的电光转换效率和极为集中的光谱分布，但LED发光光谱相对较窄(<50nm),需采取多芯片集合的方案来拓宽发光光谱，由于每一个芯片都需要独立的供电电路，成本高且稳定性差。因此，为了解决LED发光光谱窄的问题，仍需开发一种能够发射较宽的近红外光的材料。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本发明提供了一种荧光粉，该荧光粉能够发射较宽的近红外光，可以有效被近紫外光激发。

本发明还提供了一种荧光粉的制备方法。

本发明还提供了一种荧光粉的应用。

本发明的第一方面提供了一种荧光粉，学式为Ca₂Sn_2-xAl_2-xSi_xO₉:xCr³⁺，其中，x为Cr³⁺掺杂和Si⁴⁺掺杂的摩尔量，0.00≤x≤0.02。

本发明关于荧光粉的技术方案中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：

本发明的荧光粉，可有效被近紫外光激发，适用于近紫外光芯片。

本发明的荧光粉，能够发射较宽的近红外光，可用于防伪、红外夜视、食品检测和生物活体成像等应用。

本发明的荧光粉，还具有较高的相对灵敏度(S_r≥1％·K^-1)的优点，在生物测温方面(25℃～50℃)和温度传感材料方面具有潜在的应用前景。

根据本发明的一些实施方式，0.00<x≤0.018。

根据本发明的一些实施方式，0.00<x≤0.012。

根据本发明的一些实施方式，0.00<x≤0.01。

根据本发明的一些实施方式，所述荧光粉的粒径为0.1μm～10μm。

本发明的第二方面提供了一种制备所述的荧光粉的方法，包括以下步骤：

S1：按Ca₂Sn_2-xAl_2-xSi_xO₉:xCr³⁺中的化学计量比，将含Ca²⁺的化合物、含Sn⁴⁺的化合物、含Al³⁺的化合物、含Si⁴⁺的化合物、含Cr³⁺的化合物在溶剂中混匀后干燥，得到前体；

S2：烧结所述前体，得到所述荧光粉。

本发明关于荧光粉的制备方法中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：

本发明荧光粉的制备方法，先按Ca₂Sn_2-xAl_2-xSi_xO₉:xCr³⁺中的化学计量比，将含Ca^{2 +}的化合物、含Sn⁴⁺的化合物、含Al³⁺的化合物、含Si⁴⁺的化合物、含Cr³⁺的化合物在溶剂中混匀后干燥，得到前体，之后烧结所述前体，得到所述荧光粉。制备方法简单，无需昂贵的设备和复杂的工艺控制，制备条件不苛刻，适合大规模工业化生产。

根据本发明的一些实施方式，所述含Ca²⁺的化合物包括CaCO₃。

根据本发明的一些实施方式，所述含Sn⁴⁺的化合物包括SnO₂。

根据本发明的一些实施方式，所述含Al³⁺的化合物包括Al₂O₃。

根据本发明的一些实施方式，所述含Si⁴⁺的化合物包括SiO₂。

根据本发明的一些实施方式，所述含Cr³⁺的化合物包括Cr₂O₃。

步骤S1中，将含Ca²⁺的化合物、含Sn⁴⁺的化合物、含Al³⁺的化合物、含Si⁴⁺的化合物、含Cr³⁺的化合物在溶剂中混匀后进行研磨。

步骤S1中，溶剂包括无水乙醇。

根据本发明的一些实施方式，所述研磨的时间为30min～60min。

步骤S1中，研磨后，对混合物进行干燥。

根据本发明的一些实施方式，所述干燥的温度为50℃～80℃。

根据本发明的一些实施方式，所述干燥的时间为0.5h～1h。

根据本发明的一些实施方式，所述烧结的温度为1400℃～1600℃。

根据本发明的一些实施方式，所述烧结的温度为1500℃～1600℃。

根据本发明的一些实施方式，所述烧结的温度为1550℃～1600℃。

根据本发明的一些实施方式，所述烧结的时间为3h～6h。

根据本发明的一些实施方式，所述烧结的时间为4h～6h。

本发明的第三方面提供了所述的荧光粉在近红外光检测中的应用。

本发明关于荧光粉在近红外光检测中的应用中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：

由于本发明的荧光粉，能够发射较宽的近红外光，由此，特别适用于近红外光检测，如防伪、红外夜视、食品检测和生物活体成像等应用中。

本发明的第四方面提供了一种LED灯，包括所述的荧光粉。

本发明关于LED灯中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：

近红外LED以850nm窄带LED和940nm窄带LED两种为主。850nm和940nm等波长的近红外LED拥有较高的电光转换效率和极为集中的光谱分布，但LED发光光谱相对较窄(<50nm)，需采取多芯片集合的方案来拓宽发光光谱，由于每一个芯片都需要独立的供电电路，成本高且稳定性差。本发明的LED灯，由于使用了本发明的荧光粉，该荧光粉能够发射较宽的近红外光，由此，解决了每一个芯片都需要独立的供电电路，成本高且稳定性差的问题。

附图说明

图1是实施例1至7制备的荧光粉的X射线粉末衍射测试结果。

图2为Cr³⁺掺杂宽带发射红外荧光粉的激发光谱图。

图3为近紫外光激发下Cr³⁺掺杂宽带发射红外荧光粉的发射光谱。

图4为Cr³⁺掺杂宽带发射红外荧光粉的热猝灭积分强度图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，并结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

在本发明的一些实施例中，本发明提供了一种荧光粉，化学式为Ca₂Sn_2-xAl_{2- x}Si_xO₉:xCr³⁺，其中，x为Cr³⁺掺杂和Si⁴⁺掺杂的摩尔量，0.00≤x≤0.02。

可以理解，本发明的荧光粉，可有效被近紫外光激发，适用于近紫外光芯片。

还可以理解，本发明的荧光粉，能够发射较宽的近红外光，可用于防伪、红外夜视、食品检测和生物活体成像等应用。

还可以理解，本发明的荧光粉，还具有较高的相对灵敏度(S_r≥1％·K^-1)的优点，在生物测温方面(25℃～50℃)和温度传感材料方面具有潜在的应用前景。

在本发明的一些实施例中，0.00<x≤0.018。

在本发明的一些实施例中，0.00<x≤0.012。

在本发明的一些实施例中，0.00<x≤0.01。

在本发明的一些实施例中，荧光粉的粒径为0.1μm～10μm。

在本发明的一些实施例中，本发明提供了一种制备荧光粉的方法，包括以下步骤：

S1：按Ca₂Sn_2-xAl_2-xSi_xO₉:xCr³⁺中的化学计量比，将含Ca²⁺的化合物、含Sn⁴⁺的化合物、含Al³⁺的化合物、含Si⁴⁺的化合物、含Cr³⁺的化合物在溶剂中混匀后干燥，得到前体；

S2：烧结前体，得到荧光粉。

可以理解，本发明荧光粉的制备方法，先按Ca₂Sn_2-xAl_2-xSi_xO₉:xCr³⁺中的化学计量比，将含Ca²⁺的化合物、含Sn⁴⁺的化合物、含Al³⁺的化合物、含Si⁴⁺的化合物、含Cr³⁺的化合物在溶剂中混匀后干燥，得到前体，之后烧结前体，得到荧光粉。制备方法简单，无需昂贵的设备和复杂的工艺控制，制备条件不苛刻，适合大规模工业化生产。

在本发明的一些实施例中，含Ca²⁺的化合物包括CaCO₃。

在本发明的一些实施例中，含Sn⁴⁺的化合物包括SnO₂。

在本发明的一些实施例中，含Al³⁺的化合物包括Al₂O₃。

在本发明的一些实施例中，含Si⁴⁺的化合物包括SiO₂。

在本发明的一些实施例中，含Cr³⁺的化合物包括Cr₂O₃。

具体而言，步骤S1中，将含Ca²⁺的化合物、含Sn⁴⁺的化合物、含Al³⁺的化合物、含Si⁴⁺的化合物、含Cr³⁺的化合物在溶剂中混匀后进行研磨。

进一步的，步骤S1中，溶剂包括无水乙醇。

在本发明的一些实施例中，研磨的时间为30min～60min。

进一步的，步骤S1中，研磨后，对混合物进行干燥。

在本发明的一些实施例中，干燥的温度为50℃～80℃。

在本发明的一些实施例中，干燥的时间为0.5h～1h。

在本发明的一些实施例中，烧结的温度为1400℃～1600℃。

在本发明的一些实施例中，烧结的温度为1500℃～1600℃。

在本发明的一些实施例中，烧结的温度为1550℃～1600℃。

在本发明的一些实施例中，烧结的时间为3h～6h。

在本发明的一些实施例中，烧结的时间为4h～6h。

在本发明的一些实施例中，本发明提供了荧光粉在近红外光检测中的应用。

可以理解，由于本发明的荧光粉，能够发射较宽的近红外光，由此，特别适用于近红外光检测，如防伪、红外夜视、食品检测和生物活体成像等应用中。

在本发明的一些实施例中，本发明提供了一种LED灯，包括荧光粉。

可以理解，近红外LED以850nm窄带LED和940nm窄带LED两种为主。850nm和940nm等波长的近红外LED拥有较高的电光转换效率和极为集中的光谱分布，但LED发光光谱相对较窄(<50nm)，需采取多芯片集合的方案来拓宽发光光谱，由于每一个芯片都需要独立的供电电路，成本高且稳定性差。本发明的LED灯，由于使用了本发明的荧光粉，该荧光粉能够发射较宽的近红外光，由此，解决了每一个芯片都需要独立的供电电路，成本高且稳定性差的问题。

下面再结合具体的实施例来更好的理解本发明的技术方案。

实施例1

本实施例制备了一种荧光粉，化学式为Ca₂Sn_1.998Al_1.998Si_0.002O₉:0.002Cr³⁺。

具体的制备方法为：

(1)按化学式Ca₂Sn_1.998Al₂Si_0.002O₉:0.002Cr³⁺中的化学计量，称量0.4004gCaCO₃、0.6323gSnO₂、0.1935gAl₂O₃,0.0002gSiO₂和0.0003gCr₂O₃置于无水乙醇中混合均匀，混合物研磨30分钟，得到前体；

(2)在70℃对前体进行干燥1小时，得到干燥粉末；

(3)干燥粉末置于马弗炉空气炉中并在1550℃烧结4小时，取出研磨，得到最终的宽带发射红外荧光粉。

实施例2

本实施例制备了一种荧光粉，化学式为Ca₂Sn_1.996Al_1.996Si_0.004O₉:0.004Cr³⁺。

具体的制备方法为：

(1)按化学式Ca₂Sn_1.996Al_1.996Si_0.004O₉:0.004Cr³⁺中的化学计量，称量0.4004gCaCO₃、0.6317gSnO₂、0.1933gAl₂O₃,0.0005gSiO₂和0.0006gCr₂O₃置于无水乙醇中混合均匀，混合物研磨30分钟，得到前体；

(2)在70℃对前体进行干燥1小时，得到干燥粉末；

(3)干燥粉末置于马弗炉空气炉中并在1550℃烧结4小时，取出研磨，得到最终的宽带发射红外荧光粉。

实施例3

本实施例制备了一种荧光粉，化学式为Ca₂Sn_1.992Al_1.992Si_0.008O₉:0.008Cr³⁺。

具体的制备方法为：

(1)按化学式Ca₂Sn_1.992Al_1.992Si_0.008O₉:0.008Cr³⁺中的化学计量，称量0.4004gCaCO₃、0.6305gSnO₂、0.1929gAl₂O₃,0.0010gSiO₂和0.0012gCr₂O₃置于无水乙醇中混合均匀，混合物研磨30分钟，得到前体；

(2)在70℃对前体进行干燥1小时，得到干燥粉末；

(3)干燥粉末置于马弗炉空气炉中并在1550℃烧结4小时，取出研磨，得到最终的宽带发射红外荧光粉。

实施例4

本实施例制备了一种荧光粉，化学式为Ca₂Sn_1.99Al_1.99Si_0.01O₉:0.01Cr³⁺。

具体的制备方法为：

(1)按化学式Ca₂Sn_1.99Al_1.99Si_0.01O₉:0.01Cr³⁺中的化学计量，称量0.4004gCaCO₃、0.6298gSnO₂、0.1928gAl₂O₃,0.0012gSiO₂和0.0015gCr₂O₃置于无水乙醇中混合均匀，混合物研磨30分钟，得到前体；

(2)在70℃对前体进行干燥1小时，得到干燥粉末；

(3)干燥粉末置于马弗炉空气炉中并在1550℃烧结4小时，取出研磨，得到最终的宽带发射红外荧光粉。

实施例5

本实施例制备了一种荧光粉，化学式为Ca₂Sn_1.988Al_1.988Si_0.012O₉:0.012Cr³⁺。

具体的制备方法为：

(1)按化学式Ca₂Sn_1.988Al_1.988Si_0.012O₉:0.012Cr³⁺中的化学计量，称量0.4004gCaCO₃、0.6292gSnO₂、0.1925gAl₂O₃,0.0014gSiO₂和0.0018gCr₂O₃置于无水乙醇中混合均匀，混合物研磨30分钟，得到前体；

(2)在70℃对前体进行干燥1小时，得到干燥粉末；

(3)干燥粉末置于马弗炉空气炉中并在1550℃烧结4小时，取出研磨，得到最终的宽带发射红外荧光粉。

实施例6

本实施例制备了一种荧光粉，化学式为Ca₂Sn_1.982Al_1.982Si_0.018O₉:0.018Cr³⁺。

具体的制备方法为：

(1)按化学式Ca₂Sn_1.982Al_1.982Si_0.018O₉:0.018Cr³⁺中的化学计量，称量0.4004gCaCO₃、0.6273gSnO₂、0.1920gAl₂O₃,0.0022gSiO₂和0.0027gCr₂O₃置于无水乙醇中混合均匀，混合物研磨30分钟，得到前体；

(2)在70℃对前体进行干燥1小时，得到干燥粉末；

(3)干燥粉末置于马弗炉空气炉中并在1550℃烧结4小时，取出研磨，得到最终的宽带发射红外荧光粉。

实施例7

本实施例制备了一种荧光粉，化学式为Ca₂Sn_1.98Al_1.98Si_0.02O₉:0.02Cr³⁺。

具体的制备方法为：

(1)按化学式Ca₂Sn_1.98Al_1.98Si_0.02O₉:0.02Cr³⁺中的化学计量，称量0.4004gCaCO₃、0.6267gSnO₂、0.1918gAl₂O₃,0.0024gSiO₂和0.0030gCr₂O₃置于无水乙醇中混合均匀，混合物研磨30分钟，得到前体；

(2)在70℃对前体进行干燥1小时，得到干燥粉末；

(3)干燥粉末置于马弗炉空气炉中并在1550℃烧结4小时，取出研磨，得到最终的宽带发射红外荧光粉。

测试例

通过X射线粉末衍射测试了实施例1至7制备的荧光粉，如图1所示。通过与标准卡片对比，实施例1至7制备的荧光粉均为纯相，没有观察到杂质，由此，实施例1至7制备的荧光粉的光学性能不会受到其他物质影响，从而提高了光学性能。

图2为Cr³⁺掺杂宽带发射红外荧光粉的激发光谱图，可以看出，该图谱属于典型的Cr³⁺激发，说明该荧光粉的发射来自Cr³⁺，没有其他的发光中心。

图3为近紫外光(405nm)激发下Cr³⁺掺杂宽带发射红外荧光粉的发射光谱，可以看出是Cr³⁺近红外的宽谱发射，说明Cr³⁺在一个较弱的晶体场中，可以减少²E→⁴A₂的尖峰发射，让⁴T₂→⁴A₂的宽峰发射占主导地位。

图4为Cr³⁺掺杂宽带发射红外荧光粉的热猝灭积分强度图，从图4可以看出荧光粉的热猝灭行为，在升温过程中，该荧光粉发光强度的衰减情况，在150℃的工作温度下可以保持常温情况下的75.9％的发光强度，对于LED器件的日常使用情况有一定的适用性。

上面结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种荧光粉，其特征在于，化学式为Ca₂Sn_2-xAl_2-xSi_xO₉:xCr³⁺，其中，x为Cr³⁺掺杂和Si^{4 +}掺杂的摩尔量，0.00<x≤0.02。

2.根据权利要求1所述的荧光粉，其特征在于，0.00<x≤0.018。

3.一种制备如权利要求1或2所述的荧光粉的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：按Ca₂Sn_2-xAl_2-xSi_xO₉:xCr³⁺中的化学计量比，将含Ca²⁺的化合物、含Sn⁴⁺的化合物、含Al³⁺的化合物、含Si⁴⁺的化合物、含Cr³⁺的化合物在溶剂中混匀后干燥，得到前体；

S2：烧结所述前体，得到所述荧光粉。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述含Sn⁴⁺的化合物包括SnO₂。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述含Si⁴⁺的化合物包括SiO₂。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述含Cr³⁺的化合物包括Cr₂O₃。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述烧结的温度为1400℃~1600℃。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述烧结的时间为3h~6h。

9.如权利要求1或2所述的荧光粉在近红外光检测中的应用。

10.一种LED灯，其特征在于，包括如权利要求1或2所述的荧光粉。