RU2474009C2 - Inorganic luminescent material for solid-state sources of white light - Google Patents
Inorganic luminescent material for solid-state sources of white light Download PDFInfo
- Publication number
- RU2474009C2 RU2474009C2 RU2011117108A RU2011117108A RU2474009C2 RU 2474009 C2 RU2474009 C2 RU 2474009C2 RU 2011117108 A RU2011117108 A RU 2011117108A RU 2011117108 A RU2011117108 A RU 2011117108A RU 2474009 C2 RU2474009 C2 RU 2474009C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- composition
- yttrium
- index
- cerium
- solid
- Prior art date
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 19
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 71
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- 229910052688 Gadolinium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N cerium Chemical compound [Ce] GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 17
- 239000002223 garnet Substances 0.000 claims abstract description 17
- 229910052771 Terbium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 229910052769 Ytterbium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 229910052747 lanthanoid Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 150000002602 lanthanoids Chemical class 0.000 claims abstract description 9
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N al2o3 Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 claims description 18
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- -1 yttrium-gadolinium Chemical compound 0.000 claims description 12
- UIWYJDYFSGRHKR-UHFFFAOYSA-N Gadolinium Chemical compound [Gd] UIWYJDYFSGRHKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 238000001748 luminescence spectrum Methods 0.000 claims description 6
- 230000004048 modification Effects 0.000 claims description 6
- 238000006011 modification reaction Methods 0.000 claims description 6
- JNDMLEXHDPKVFC-UHFFFAOYSA-N aluminum;oxygen(2-);yttrium(3+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Y+3] JNDMLEXHDPKVFC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- GZCRRIHWUXGPOV-UHFFFAOYSA-N terbium Chemical compound [Tb] GZCRRIHWUXGPOV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 125000002091 cationic group Chemical group 0.000 claims description 4
- NAWDYIZEMPQZHO-UHFFFAOYSA-N ytterbium Chemical compound [Yb] NAWDYIZEMPQZHO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);yttrium(3+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Y+3].[Y+3] RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910001404 rare earth metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 229910001884 aluminium oxide Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 abstract 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 19
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 13
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 10
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 9
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 9
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 9
- 230000002194 synthesizing Effects 0.000 description 9
- 229910020203 CeO Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 8
- 229910052692 Dysprosium Inorganic materials 0.000 description 7
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 7
- ITMSSWCUCPDVED-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane;oxo(oxoalumanyloxy)yttrium;oxo(oxoyttriooxy)yttrium Chemical compound O=[Al]O[Al]=O.O=[Al]O[Al]=O.O=[Al]O[Y]=O.O=[Y]O[Y]=O ITMSSWCUCPDVED-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910052777 Praseodymium Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 6
- 229910052691 Erbium Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052772 Samarium Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 5
- 229910052693 Europium Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 4
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 4
- 229910052779 Neodymium Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000003213 activating Effects 0.000 description 3
- 239000012190 activator Substances 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 3
- 150000004679 hydroxides Chemical class 0.000 description 3
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 3
- 230000003287 optical Effects 0.000 description 3
- 229910052706 scandium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 3
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- WNROFYMDJYEPJX-UHFFFAOYSA-K Aluminium hydroxide Chemical compound [OH-].[OH-].[OH-].[Al+3] WNROFYMDJYEPJX-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 2
- 229910052689 Holmium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052765 Lutetium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004698 Polyethylene (PE) Substances 0.000 description 2
- 102000014961 Protein Precursors Human genes 0.000 description 2
- 108010078762 Protein Precursors Proteins 0.000 description 2
- 229910052775 Thulium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 2
- SMYKVLBUSSNXMV-UHFFFAOYSA-J aluminum;tetrahydroxide Chemical compound [OH-].[OH-].[OH-].[OH-].[Al+3] SMYKVLBUSSNXMV-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 2
- 125000004429 atoms Chemical group 0.000 description 2
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 150000002823 nitrates Chemical class 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- OZAIFHULBGXAKX-UHFFFAOYSA-N precursor Substances N#CC(C)(C)N=NC(C)(C)C#N OZAIFHULBGXAKX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 230000003595 spectral Effects 0.000 description 2
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 2
- PPNXXZIBFHTHDM-UHFFFAOYSA-N Aluminium phosphide Chemical compound P#[Al] PPNXXZIBFHTHDM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LDDQLRUQCUTJBB-UHFFFAOYSA-N Ammonium fluoride Chemical class [NH4+].[F-] LDDQLRUQCUTJBB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910015999 BaAl Inorganic materials 0.000 description 1
- WDIHJSXYQDMJHN-UHFFFAOYSA-L Barium chloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Ba+2] WDIHJSXYQDMJHN-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- OYLGJCQECKOTOL-UHFFFAOYSA-L Barium fluoride Chemical compound [F-].[F-].[Ba+2] OYLGJCQECKOTOL-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYSA-N Boric acid Chemical compound OB(O)O KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021193 La 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229940075624 Ytterbium oxide Drugs 0.000 description 1
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K [O-]P([O-])([O-])=O Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000000129 anionic group Chemical group 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 229910001626 barium chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001632 barium fluoride Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002051 biphasic Effects 0.000 description 1
- 239000004327 boric acid Substances 0.000 description 1
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 1
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 1
- 238000002447 crystallographic data Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing Effects 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- KBQHZAAAGSGFKK-UHFFFAOYSA-N dysprosium Chemical compound [Dy] KBQHZAAAGSGFKK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000311 lanthanide oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- TWXTWZIUMCFMSG-UHFFFAOYSA-N nitride(3-) Chemical compound [N-3] TWXTWZIUMCFMSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- PUDIUYLPXJFUGB-UHFFFAOYSA-N praseodymium Chemical compound [Pr] PUDIUYLPXJFUGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 238000009877 rendering Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N silicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000001424 substituent group Chemical group 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к области светотехники и, в частности, к люминесцентным материалам, светящимся при возбуждении голубым светом в желто-оранжевой области спектра и используемым в твердотельных источниках белого света, в которых интенсивное белое свечение получается в результате комбинации желто-оранжевой люминесценции люминофора с первичным синим излучением, генерируемым InGaN светодиодом, излучающим в синей области спектра (440-480 нм). В последние годы на базе этих устройств были созданы высокоэффективные источники белого света, имеющие светоотдачу до 150 люмен/ватт, что более чем в 10 раз превышает светоотдачу ламп накаливания и почти в два раза - светоотдачу газоразрядных люминесцентных источников света. По общему мнению, разработка твердотельных источников белого света в настоящее время определяет перспективу развития светотехники.The invention relates to the field of lighting engineering and, in particular, to luminescent materials luminous when excited by blue light in the yellow-orange region of the spectrum and used in solid-state white light sources in which an intense white glow is obtained as a result of a combination of yellow-orange luminescence of a phosphor with primary blue radiation generated by an InGaN LED emitting in the blue region of the spectrum (440-480 nm). In recent years, these devices have been used to create highly efficient white light sources with a light output of up to 150 lumens / watt, which is more than 10 times higher than the light output of incandescent lamps and almost twice as much as the light output of gas-discharge fluorescent light sources. By all accounts, the development of solid-state white light sources is currently determining the prospects for the development of lighting technology.
Эффективность действия устройств данного типа во многом зависит от химического состава применяемых люминофоров, в качестве которых могут быть использованы силикатные, фосфатные, оксидные, алюминатные, нитридные и оксо-нитридные люминофоры и их смеси [С.Ronda. Luminescence: From Theory to Application. Science. 2007, 260 p.]. Наиболее эффективными среди них являются алюминатные люминофоры со структурой граната, образованные с участием оксидов иттрия, гадолиния и других редкоземельных элементов, активированные церием, обозначаемые в литературе - YAG:Ce. Химический состав этих люминофоров отвечает стехиометрической формуле , где Ln=Gd, Се и совместно с ними один или несколько элементов из группы лантаноидов; Me3+ - алюминий или совместно с ним один или несколько элементов из группы Ga, In, Sc. При этом соотношение между жестко фиксировано и равно .The effectiveness of devices of this type largely depends on the chemical composition of the phosphors used, which can be used as silicate, phosphate, oxide, aluminate, nitride and oxo-nitride phosphors and their mixtures [C.Ronda. Luminescence: From Theory to Application. Science. 2007, 260 p.]. The most effective among them are aluminate phosphors with a garnet structure, formed with the participation of oxides of yttrium, gadolinium, and other rare earth elements, activated by cerium, denoted in the literature - YAG: Ce. The chemical composition of these phosphors corresponds to the stoichiometric formula where Ln = Gd, Ce, and together with them one or more elements from the group of lanthanides; Me 3+ - aluminum or together with it one or more elements from the group Ga, In, Sc. Moreover, the ratio between rigidly fixed and equal .
Ключевую роль в формировании люминесцентных свойств иттрий-алюминиевых гранатов наряду со структурообразующими элементами выполняют:The key role in the formation of the luminescent properties of yttrium-aluminum garnets along with structure-forming elements is performed by:
Се, являющийся активатором люминесценции, т.е. атомом, оптические переходы в котором определяют цвет свечения, а концентрация задает яркость люминесценции (родственные, но корректирующие функции могут выполнять Pr, Yb);Ce, which is an activator of luminescence, i.e. atom, the optical transitions in which determine the color of the glow, and the concentration determines the brightness of the luminescence (related, but correcting functions can perform Pr, Yb);
Gd, Tb и Lu обеспечивают сдвиг положения максимума в спектре люминесценции в длинноволновую (Gd, Tb) или коротковолновую (Lu) области спектра (аналогичную роль могут играть Ga, In, Sc);Gd, Tb, and Lu provide a shift in the position of the maximum in the luminescence spectrum to the long-wave (Gd, Tb) or short-wave (Lu) spectral regions (Ga, In, Sc can play a similar role);
Nd, Eu, Dy, Er, Ho, Tm играют вспомогательную роль, которая отмечалась в ряде патентов, но на количественном уровне не была охарактеризована.Nd, Eu, Dy, Er, Ho, Tm play an auxiliary role, which was noted in a number of patents, but was not characterized at a quantitative level.
Оптические параметры люминофоров для твердотельных источников света на основе синеизлучающих светодиодов принято характеризовать с помощью следующих основных величин:The optical parameters of phosphors for solid-state light sources based on blue-emitting diodes are customarily characterized using the following basic values:
- максимум в спектре люминесценции (520-590 нм);- the maximum in the luminescence spectrum (520-590 nm);
- полуширина полосы излучения 110-125 нм;- the half-width of the emission band is 110-125 nm;
- цветовая температура (Тц), обычно изменяющаяся в диапазоне 2500-7000 К (если этот параметр составляет менее 4000 К, излучение называют «теплым белым», если Тц=4000-5500 К, то излучение считают «стандартным белым», и, наконец, при Тс>5500 К - холодным белым);- color temperature (T c ), usually varying in the range of 2500-7000 K (if this parameter is less than 4000 K, the radiation is called “warm white”, if T c = 4000-5500 K, then the radiation is considered “standard white”, and finally, at Tc> 5500 K - cold white);
- цветовые координаты (x и у);- color coordinates (x and y);
- индекс цветопередачи;- color rendering index;
- яркость свечения, оцениваемая обычно по сравнению со стандартом (чаще всего по сравнению с образцами, выпускаемыми компанией Nichia).- the brightness of the glow, usually estimated in comparison with the standard (most often in comparison with samples manufactured by Nichia).
Широкополосный люминофор с желто-оранжевым свечением на основе иттрий-алюминиевого граната, активированного церием (Y,Се)3Аl5O12, и способ его получения был впервые запатентован в 1967 г. сотрудниками фирмы «Филипс» Ж.Бляссе (G.Blasse) и А.Брилем (A.Brile) в ряде стран, в том числе в США: Pat. US 3564322 (U.S. Class: 313/468; Intern'l Class: C09K 11/77) от 29.04.1967. Более сложная композиция (Y,Gd,Ce)3Al5O12, обладающая близкими люминесцентными свойствами, была описана в 70-х годах прошлого столетия, и ссылки на нее можно найти в фундаментальных справочниках по люминесцентным материалам [G.Blasse and В.С. Grabmaier, "Luminescent materials", Springer-Verlag, Berlin (1994); S.Shionoya. Phosphor Handbook / Science, (1998), 921 pp.].A broadband phosphor with a yellow-orange glow based on yttrium-aluminum garnet activated by cerium (Y, Ce) 3 Al 5 O 12 , and the method for its preparation was first patented in 1967 by Philips employees G. Blasse ) and A. Bril (A.Brile) in a number of countries, including the USA: Pat. US 3564322 (US Class: 313/468; Intern'l Class: C09K 11/77) 04/29/1967. A more complex composition (Y, Gd, Ce) 3 Al 5 O 12 , with similar luminescent properties, was described in the 70s of the last century, and links to it can be found in the fundamental reference books on luminescent materials [G.Blasse and B. FROM. Grabmaier, "Luminescent materials", Springer-Verlag, Berlin (1994); S. Shionoya. Phosphor Handbook / Science, (1998), 921 pp.].
Спустя 30 лет после Ж.Бляссе в период с 1998 по 2008 гг. японской компанией «Nichia» была получена серия патентов на устройство, состоящее из полупроводникового гетероперехода InGaN, излучающего свет с длиной волны 450-470 нм и покрытого зернами флуоресцирующего вещества со структурой иттрий-алюминиевого граната, активированного церием [US Patents №№: 5998925 (U.S. Class: 313/503; Intern'l Class: H01J 001/62) от 07.12.1997, 6069440 (U.S. Class: 313/486,489; Intern'l Class: H01L 033/00) от 30.05.2000, 6608332 (U.S. Class: 257/98) от 19.08.2003, 6614179(U.S. Class: 353/512; Intern'l Class: H01L 33/00) от 19.08.2003, 7362048 (U.S. Class: 313/512)].30 years after J. Blasse in the period from 1998 to 2008. The Japanese company Nichia obtained a series of patents for a device consisting of an InGaN semiconductor heterojunction emitting light with a wavelength of 450-470 nm and coated with grains of a fluorescent substance with a structure of yttrium-aluminum garnet activated by cerium [US Patents No.№ 5998925 (US Class: 313/503; Intern'l Class: H01J 001/62) from 12/07/1997, 6069440 (US Class: 313 / 486,489; Intern'l Class: H01L 033/00) from 05/30/2000, 6608332 (US Class: 257/98) from 08.19.2003, 6614179 (US Class: 353/512; Intern'l Class: H01L 33/00) from 08.19.2003, 7362048 (US Class: 313/512)].
Во всех указанных патентах авторы рассматривают применение композиции, состав которой соответствует формуле:In all of these patents, the authors consider the use of a composition whose composition corresponds to the formula:
, где в числе основных редкоземельных элементов упоминаются иттрий, гадолиний и церий и наряду с ними Lu, Sm, La, Sc. , where yttrium, gadolinium, and cerium are mentioned among the main rare-earth elements, along with Lu, Sm, La, Sc.
После первого японского патента в литературе появляется ряд патентных решений, в которых были предложены новые композиции, с измененной рецептурой иттриевой подрешетки классической гранатной композиции стехиометрического состава в отношении набора редкоземельных элементов при сохранении обобщенной формулы «А3-B5-O12». Например, для тербий-лютециевого граната авторы патента US Раt. №6630077 (U.S. Class: 313/468; Intern'l Class: C09K 11/27 от 07.10.2003) включили в список заявляемых лантаноидов все 14 f-элементов, с разделением их по виду функционального действия на структурообразующие (Tb, Lu, La, Gd, Yb), активирующие (Се) и выполняющие вспомогательные функции (Pr, Nd, Sm, Eu, Dy, Ho, Er, Tm).After the first Japanese patent, a number of patent solutions appear in the literature, in which new compositions were proposed, with a modified recipe for the yttrium sublattice of the classic garnet composition with stoichiometric composition in relation to a set of rare-earth elements while maintaining the generalized formula “A 3 -B 5 -O 12 ”. For example, for terbium-lutetium garnet, the authors of US Pat. No. 6630077 (US Class: 313/468; Intern'l Class: C09K 11/27 of 10/07/2003) included in the list of claimed lanthanides all 14 f-elements, with their division by type of functional action into structure-forming (Tb, Lu, La , Gd, Yb), activating (Ce) and performing auxiliary functions (Pr, Nd, Sm, Eu, Dy, Ho, Er, Tm).
К числу наиболее поздних патентных документов по иттрий-алюминиевому гранату можно отнести заявки US 20080116422 (U.S. Class: 252/301.4R; Intern'l Class: C09K 11/08) от 22.05.2008 и US 20080290355 (U.S. Class: 257/94; Intern'l Class: C09K 11/08) от 27.11.2008. В первой из них предлагается композиция, формула которой имеет вид [Y1-x-y-z-p-qGdxTbyYbzLupCeq]3Al5O12, в состав которой кроме Gd, Се, Lu, Sm были добавлены Tb, Yb. В заявке US №20080290355 тех же авторов состав люминофора задан формулой [Y1-x-y-z-qGdxLuyYbzEuq + активирующие добавки Ce,Pr,Dy,Er,Sm]3Al5O12, где в группу лантаноидов были включены 9 из 14 f-элементов.The most recent patent documents for yttrium-aluminum garnet include US 20080116422 (US Class: 252 / 301.4R; Intern'l Class: C09K 11/08) dated 05/22/2008 and US 20080290355 (US Class: 257/94; Intern'l Class: C09K 11/08) from 11/27/2008. In the first of them, a composition is proposed whose formula is [Y 1-xyzpq Gd x Tb y Yb z Lu p Ce q ] 3 Al 5 O 12 , in addition to Gd, Ce, Lu, Sm Tb, Yb were added. In the application US No. 2008290355 by the same authors, the phosphor composition is given by the formula [Y 1-xyzq Gd x Lu y Yb z Eu q + activating additives Ce, Pr, Dy, Er, Sm] 3 Al 5 O 12 , where lanthanides were included in the group 9 out of 14 f-elements.
В качестве нового направления в технологии люминофоров для синих светодиодов с участием иттрий-гадолиниевого граната можно рассматривать синтез композиций, состав которых в сравнении с известным был изменен посредством введения незаявленных ранее заместителей по позициям «А» и по позициям «В». Основанием к этому поиску явилась информация об особенностях строения гранатных минералов. В минералогии под термином гранат понимают более 10 минералов, имеющих одинаковую кристаллическую структуру, но различный химический состав. В частности, хорошо известны минералы Mg3Al3Si3O12, Са3Al2Si3O12, Мn3Al2Si3O12. В общем случае формулу минералов, имеющих структуру граната, записывают в виде A3B2(BO4)3=A3B5O12. Ионы типа А, к которым могут относиться лантаноиды, кальций, магний, марганец, железо и т.д., имеют додекаэдрическую координацию [координационное число (к.ч.), равное 8]. Ионы типа В (кремний и частично алюминий) имеют тетраэдрическую координацию (к.ч.=4). Часть ионов алюминия, находящихся в окружении кислорода, имеет октаэдрическую координацию (к.ч.=6).As a new direction in the technology of phosphors for blue LEDs with the participation of yttrium-gadolinium garnet, one can consider the synthesis of compositions whose composition was changed in comparison with the known one by introducing previously undeclared substituents at positions “A” and at positions “B”. The basis for this search was information on the structural features of garnet minerals. In mineralogy, the term garnet is understood to mean more than 10 minerals having the same crystalline structure, but different chemical composition. In particular, the minerals Mg 3 Al 3 Si 3 O 12 , Ca 3 Al 2 Si 3 O 12 , Mn 3 Al 2 Si 3 O 12 are well known. In the general case, the formula of minerals having a garnet structure is written as A 3 B 2 (BO 4 ) 3 = A 3 B 5 O 12 . Type A ions, which may include lanthanides, calcium, magnesium, manganese, iron, etc., have a dodecahedral coordination [coordination number (r.h.) equal to 8]. Type B ions (silicon and partially aluminum) have tetrahedral coordination (c.h. = 4). Some of the aluminum ions surrounded by oxygen have octahedral coordination (c.h. = 6).
Учитывая эти сведения, в заявке US 20070272899 (U.S. Class: 252/301.4F; Intern'l Class: C09K 11/08,77) от 29.11.2007 была предложена гранатная структура с замещением алюминия на магний и кремний (2 иона на и ), что соответствует формуле:Given this information, in the application US 20070272899 (US Class: 252 / 301.4F; Intern'l Class: C09K 11 / 08.77) dated 11/29/2007 a garnet structure was proposed with the replacement of aluminum by magnesium and silicon (2 ions on and ), which corresponds to the formula:
[(YGd + активирующие добавки Се и/или Сr)]3[Al5-2x(Mg,Si)x]O12.[(YGd + activating additives Ce and / or Cr)] 3 [Al 5-2x (Mg, Si) x ] O 12 .
В заявке US 20070278451 (U.S. Class: 252/301.4R; Intern'l Class: C09K 11/08,77) от 06.12.2007 предложена двухфазная композиция [BaAl2O4]α+[(Y+Ce,Pr,Eu,Dy,Tb,Mn,Ti/Fe)3Al5O12]β, в которой, по мнению авторов, возможно образование твердых растворов. Структурные исследования показали, что при содержании «α» фазы до 20% образцы имеют кубическую структуру, тогда как при более высоких содержаниях наблюдаются несистематическое изменение типа кристаллической структуры. Приводимые сведения об оптических свойствах не содержат данных, устанавливающих взаимосвязь между составом люминофора и светотехническими параметрами. Судя по спектрам люминесценции, приведенным для двух образцов, люминофоры имели достаточно высокую яркость и холодный цвет белого свечения, соответствующий 5100 и 6800 К.In the application US 20070278451 (US Class: 252 / 301.4R; Intern'l Class: C09K 11 / 08.77) dated 12/06/2007 a two-phase composition [BaAl 2 O 4 ] α + [(Y + Ce, Pr, Eu, Dy, Tb, Mn, Ti / Fe) 3 Al 5 O 12 ] β , in which, according to the authors, the formation of solid solutions is possible. Structural studies have shown that with an “α” phase content of up to 20%, the samples have a cubic structure, while at higher contents, an unsystematic change in the type of crystal structure is observed. The data on the optical properties do not contain data establishing the relationship between the composition of the phosphor and the lighting parameters. Judging by the luminescence spectra shown for the two samples, the phosphors had a sufficiently high brightness and a cool white color, corresponding to 5100 and 6800 K.
Развитием данного патентного решения является патентная заявка US 20080246005 ((U.S. Class: 252/301.4R; Intern'l Class: C09K 11/77) от 9.10.2008, авторы которой предложили использовать в качестве люминофоров для синих светодиодов твердые растворы, образованные иттрий-алюминиевым гранатом [(Y+Gd,Lu,Ce,Yb,Pr,Sm)3Al5O12]1-x и гранатом состава {[Mg(и/или Ca,Sr,Ba)]3[In(Ga,Sc)]2Si3O12}x. По формальному признаку указанная предлагаемая композиция совпадает с предложенной в патентной заявке US 20070272899 (29.11.2007) и является смешанным иттрий-алюминий-кремниевым гранатом с частичным замещением двух атомов Al(In,Ga,Sc) на Mg(Ca,Sr,Ba). Степень замещения (x) при этом не превосходила концентрации 15%.The development of this patent solution is the patent application US 20080246005 ((US Class: 252 / 301.4R; Intern'l Class: C09K 11/77) dated 10.10.2008, the authors of which proposed to use solid solutions formed by yttrium as phosphors for blue LEDs aluminum garnet [(Y + Gd, Lu, Ce, Yb, Pr, Sm) 3 Al 5 O 12 ] 1-x and garnet composition {[Mg (and / or Ca, Sr, Ba)] 3 [In (Ga, Sc)] 2 Si 3 O 12 } x . Formally, the proposed composition coincides with that proposed in patent application US 20070272899 (11.29.2007) and is a mixed yttrium-aluminum-silicon garnet with partial replacement of two Al atoms ( In, Ga, Sc) to Mg (Ca, Sr, Ba). The degree of substitution (x) did not exceed a concentration of 15%.
Аналогом предлагаемого изобретения является заявка US 20090153027 (U.S. Class: 313/503; Intern'l Class: C09K 11/78) от 19.06.2009, в которой предложен люминофор, имеющий состав [Y2-x-y-z-qGdxCeyPrzDypO3]1,5±.α+(Al2O3)2,5±β. Цель патента состояла в получении теплого белого излучения за счет использования люминофора, спектр свечения которого был сдвинут в красную область в результате введения в состав трех активаторов, а именно церия, празеодима и диспрозия. В описании авторы даже не упоминают, что достижению поставленной задачи может благоприятствовать изменение соотношения между суммой элементов, образующих иттриевую и алюминиевую подсистемы люминофора. По словам авторов, в рамках патентуемого состава [атомная доля по Gd (0,001-0,4), Се (0,01-0,2), Pr (0,0001-0,1), Dy (0,0001-0,1), а также α(0,01-0,1) и β(0,01-0,1)] удается изменять цветовые координаты в интервалах х=0,405-0,515; у=0,355-0,550 при цветовой температуре 4000 К и доминирующей длине волны в спектре, равной 565 нм. Достигнутый эффект от использования трех активаторов можно рассматривать как вполне тривиальный (см. таблицу с характеристиками приготовленных нами люминофоров).An analogue of the invention is the application US 20090153027 (US Class: 313/503; Intern'l Class: C09K 11/78) dated 06/19/2009, in which a phosphor having the composition [Y 2-xyzq Gd x Ce y Pr z Dy p O 3 ] 1.5 ± .α + (Al 2 O 3 ) 2.5 ± β . The purpose of the patent was to obtain warm white radiation through the use of a phosphor, the emission spectrum of which was shifted to the red region as a result of the introduction of three activators, namely cerium, praseodymium and dysprosium. In the description, the authors do not even mention that the achievement of the task may be favored by changing the ratio between the sum of the elements forming the yttrium and aluminum phosphor subsystems. According to the authors, in the framework of the patented composition [atomic fraction by Gd (0.001-0.4), Ce (0.01-0.2), Pr (0.0001-0.1), Dy (0.0001-0 , 1), as well as α (0.01-0.1) and β (0.01-0.1)], it is possible to change the color coordinates in the intervals x = 0.405-0.515; y = 0.355-0.550 at a color temperature of 4000 K and a dominant wavelength in the spectrum of 565 nm. The achieved effect from the use of three activators can be considered as quite trivial (see the table with the characteristics of the phosphors we prepared).
При этом остается совершенно неясным, какую роль в решении поставленной авторами задачи играют вариации индекса у суммы лантаноидов и алюминия. Это тем более странно, что характеристики излучающей системы приведены для единственной (из множества возможных) композиции: [Y2,66Gd0,32Ce0,03Pr0,005Dy0,005]Al5,02O12,06, где сумма элементов равна 3,02.At the same time, it remains completely unclear what role in solving the problem posed by the authors is played by index variations for the sum of lanthanides and aluminum. It is all the more strange that the characteristics of the emitting system are given for a single (out of many possible) compositions: [Y 2.66 Gd 0.32 Ce 0.03 Pr 0.005 Dy 0.005 ] Al 5.02 O 12.06 , where the sum of the elements equal to 3.02.
Без всякой аргументации, авторы вначале отмечают, что индекс у алюминия (β) не должен превосходить «5» («to increase the quantum efficiency of the phosphor according to the present invention, the anionic oxide fraction should not exceed 5,0 units»). Но тремя строками ниже пишут, что при индексе α=0 увеличение индекса β на 0,01 увеличивает квантовую эффективность приблизительно на 1% (при этом остается неясным, во-первых, как она измерена, и во-вторых, с помощью каких приемов обеспечивалась такая точность). С другой стороны, авторы отмечают, что уменьшение индекса α будет приводить к сужению спектра, т.е. уменьшению полуширины полосы люминесценции. Масштаб воздействия на указанный параметр охарактеризован величиной 0,5-0,8 нм на каждые 0,005 единицы индекса «α». Максимальный сдвиг по наблюдениям авторов был от 118 до 115 нм. Это означает, что максимальная вариация индекса «α» в исследованных авторами образцах составила 0,03. По словам авторов, предпочтительные значения индексов составляют 0,01 для «α» и 0,03 для «β» («according to the preffered embodiment of the present invention, the stable stoichiometric index «α» is… 0,01., the second index «β», whose increment cannot exceed 0,03 mole fraction»).Without any reasoning, the authors initially noted that the index for aluminum (β) should not exceed “5” (“to increase the quantum efficiency of the phosphor according to the present invention, the anionic oxide fraction should not exceed 5.0 units”) . But the three lines below write that at the index α = 0, an increase in the index β by 0.01 increases the quantum efficiency by about 1% (while it remains unclear, firstly, how it was measured, and secondly, by what methods was provided such accuracy). On the other hand, the authors note that a decrease in the index α will lead to a narrowing of the spectrum, i.e. reducing the half-width of the luminescence band. The scale of the impact on this parameter is characterized by a value of 0.5-0.8 nm for every 0.005 units of the index "α". The maximum shift according to the observations of the authors was from 118 to 115 nm. This means that the maximum variation of the α index in the samples studied by the authors was 0.03. According to the authors, the preferred index values are 0.01 for "α" and 0.03 for "β" ("according to the preffered embodiment of the present invention, the stable stoichiometric index" α "is ... 0.01., The second index "β", whose increment cannot exceed 0.03 mole fraction ").
Учитывая это заключение, а также принимая во внимание отсутствие количественной информации о влиянии индексов на светотехнические параметры люминофоров, возникает естественное сомнение в обоснованности включения в патентуемую формулу заявки на изобретение верхних значений обоих индексов, равных 0,1.Given this conclusion, and also taking into account the lack of quantitative information about the effect of indices on the lighting parameters of phosphors, there is a natural doubt about the validity of including in the patented patent application the invention of the upper values of both indices equal to 0.1.
Следует особо подчеркнуть, что индексы, обозначенные авторами как предпочтительные, практически совпадают с указанными ими в патенте US Раt. №7135129 (U.S. Class: 252/301.4R; Intern'l Class: C09K 11/08) от 14.11.2006.It should be emphasized that the indices designated by the authors as preferred almost coincide with those indicated in the US Pat. No. 7135129 (U.S. Class: 252 / 301.4R; Intern'l Class: C09K 11/08) dated 11/14/2006.
Этот патент является наиболее близким по технической сущности к предлагаемому нами изобретению. Авторами был заявлен люминофор состава: [(Y1-x-y-z-qGdxDyyYbzErqСеp)]α (Al1-n-m-kGanSckInl)βO12, стехиометрические индексы у которого были равны α=2.97-3.02 и β=4.98-5.02. Они отличались от традиционных в структуре стехиометрического иттрий-алюминиевого граната, составляющих 3 и 5. Среди известных патентных решений, относящихся к люминофорам на основе классического иттрий-алюминиевого граната, авторы впервые предложили синтезировать нестехиометрический гранат, хотя и обозначенный в очень узком интервале составов (±0,02).This patent is the closest in technical essence to our invention. The authors declared a phosphor of the composition: [(Y 1-xyzq Gd x Dy y Yb z Er q Се p )] α (Al 1-nmk Ga n Sc k In l ) β O 12 , whose stoichiometric indices were α = 2.97 -3.02 and β = 4.98-5.02. They differed from the traditional ones in the structure of stoichiometric yttrium-aluminum garnet, components 3 and 5. Among the known patent solutions related to phosphors based on the classic yttrium-aluminum garnet, the authors first proposed the synthesis of non-stoichiometric garnet, although indicated in a very narrow composition range (± 0.02).
Люминесцирующий материал был получен в результате трехступенчатой термообработки смеси гидроксидов Gd, Y, Се, Dy, Er, Yb, Аl и Ga, соосажденных аммиаком из раствора смесей нитратов указанных металлов. Прокалку прекурсоров проводили в присутствии минерализаторов в среде водорода: вначале при 500 К, затем 900-1100 К и, наконец, при 1400-1700 К с последующим постепенным охлаждением до 400 К. Полученный продукт после термообработки сильно спекался, и его измельчали до частиц размером <1,5 мкм. Измельчение до таких малых размеров должно было неизбежно приводить к некоторому снижению яркости и качества люминофора.The luminescent material was obtained as a result of a three-stage heat treatment of a mixture of hydroxides Gd, Y, Ce, Dy, Er, Yb, Al and Ga, coprecipitated by ammonia from a solution of mixtures of nitrates of these metals. The precursors were calcined in the presence of mineralizers in a hydrogen medium: first, at 500 K, then 900-1100 K, and finally, at 1400-1700 K, followed by gradual cooling to 400 K. The resulting product was strongly sintered after heat treatment, and it was ground to a particle size <1.5 μm. Grinding to such a small size should inevitably lead to some decrease in the brightness and quality of the phosphor.
Максимум в спектре излучения заявленного люминесцирующего материала, при возбуждении голубым светодиодом, изменялся в зависимости от состава от 535 до 590 нм. Белое излучение, генерируемое при смешении желто-оранжевой люминесценции люминофора с синим цветом светодиода, имело цветовую температуру от 3000 до 16000 К.The maximum in the emission spectrum of the claimed luminescent material, when excited by a blue LED, varied depending on the composition from 535 to 590 nm. The white radiation generated by mixing the yellow-orange luminescence of the phosphor with the blue color of the LED had a color temperature of 3000 to 16000 K.
Задача предлагаемого изобретения состоит в расширении ассортимента неорганических люминесцирующих материалов для твердотельных источников белого света.The objective of the invention is to expand the range of inorganic luminescent materials for solid-state white light sources.
Поставленная задача решается созданием неорганического люминесцирующего материала для твердотельных источников белого света на основе сине-излучающих светодиодов InGaN, включающего оксид иттрия, оксиды редкоземельных металлов, а также оксид алюминия, при этом состав неорганического люминесцирующего материала соответствует общей формуле ,The problem is solved by creating an inorganic luminescent material for solid-state white light sources based on blue-emitting InGaN LEDs, including yttrium oxide, rare-earth metal oxides, and aluminum oxide, while the composition of the inorganic luminescent material corresponds to the general formula ,
где α - величина, характеризующая увеличение стехиометрического индекса в сравнении с известным для иттрий-гадолиниевого граната и изменяющаяся в интервале от 0,033 до 2;where α is a value characterizing the increase in the stoichiometric index in comparison with the known for yttrium-gadolinium garnet and varying in the range from 0.033 to 2;
x - атомная доля церия, равная 0,001-0,1;x is the atomic fraction of cerium, equal to 0.001-0.1;
- один или несколько лантаноидов из группы Gd, Tb, La, Yb, образующих совместно с иттрием и церием иттриевую подрешетку. - one or more lanthanides from the group Gd, Tb, La, Yb, which together with yttrium and cerium form an yttrium sublattice.
Наряду с указанными элементами в состав ее могут быть включены Рr, Nd, Sm, Eu, Dy, Er, Lu.Along with these elements, Pr, Nd, Sm, Eu, Dy, Er, Lu can be included in its composition.
В случае предлагаемого неорганического люминесцирующего материала его иттриевая подрешетка включает кроме иттрия и церия (x) также гадолиний (Gdp), тербий (Tbq), лантан (La)r и иттербий (Yb)s при этом у=1-х=p+q+r+s, где p - атомная доля гадолиния, равная 0,01-0,70; q - атомная доля тербия, равная 0,001-0,2; r, s - атомные доли лантана и иттербия, равные 0,001-0,1.In the case of the proposed inorganic luminescent material, its yttrium sublattice in addition to yttrium and cerium (x), also gadolinium (Gd p ), terbium (Tb q ), lanthanum (La) r and ytterbium (Yb) s with y = 1-x = p + q + r + s, where p - the atomic fraction of gadolinium equal to 0.01-0.70; q is the atomic fraction of terbium, equal to 0.001-0.2; r, s are the atomic fractions of lanthanum and ytterbium equal to 0.001-0.1.
При значениях стехиометрического индекса (3+α), изменяющихся от 3,034 до 3,45, предлагаемый материал представляет собой фазу кубической структуры, светотехнические характеристики которой при заданном составе по редкоземельным элементам слабо зависят от величины стехиометрического индекса, тогда как при заданном стехиометическом индексе вариация катионного состава может приводить к изменению цветовых координат и положения максимума в спектре люминесценции в диапазоне от 550 до 590 нм, что позволяет изменять цветовую температуру твердотельного источника белого света от 2700 до 4500 К.For values of the stoichiometric index (3 + α) varying from 3.034 to 3.45, the proposed material is a phase of a cubic structure, the lighting characteristics of which for a given composition of rare-earth elements weakly depend on the value of the stoichiometric index, while for a given stoichiometric index, the variation in cationic composition can lead to a change in color coordinates and the position of the maximum in the luminescence spectrum in the range from 550 to 590 nm, which allows you to change the color temperature of the solid state second source of white light from 2700 to 4500 K.
В интервале индексов y от 3,45 до 5 предлагаемый люминесцирующий материал представляет собой смешанную композицию из двух фаз, одна из которых имеет кубическую структуру и состав , а другая является модификацией алюмината иттрия состава , допированного Gd, Tb, La, Yb и активированного церием, причем при заданном катионном составе светотехнические параметры двухфазных композиций зависят от величины индекса (3+α) вследствие увеличения относительного содержания орторомбической модификации алюмината иттрия, так что цветовая температура твердотельного источника белого света может в зависимости от состава изменяться от 3000 до 6000 К.In the range of indices y from 3.45 to 5, the proposed luminescent material is a mixed composition of two phases, one of which has a cubic structure and composition and the other is a modification of the yttrium aluminate composition doped with Gd, Tb, La, Yb and activated by cerium, and at a given cationic composition, the lighting parameters of two-phase compositions depend on the index value (3 + α) due to an increase in the relative content of the orthorhombic modification of yttrium aluminate, so that the color temperature of a solid-state white light source can depending on the composition vary from 3000 to 6000 K.
Выполненные нами исследования показали, что светотехнические характеристики композиций, состав которых соответствует общей формуле , близки или совпадают с параметрами промышленных и синтезированных нами образцов традиционного иттрий-алюминиевого граната при вариации α в пределах 0,03<α<2 (см. таблицу). Нижняя граница указанного интервала (α=0,033) отвечает пределу, обозначенному в прототипе, тогда как верхняя отвечает формуле , т.е. соединению, в котором соотношение .Our studies have shown that the lighting characteristics of the compositions, the composition of which corresponds to the General formula are close or coincide with the parameters of industrial and synthesized by us samples of traditional yttrium-aluminum garnet with α variation within 0.03 <α <2 (see table). The lower boundary of the specified interval (α = 0,033) corresponds to the limit indicated in the prototype, while the upper corresponds to the formula , i.e. a compound in which the ratio .
Примеры конкретного выполненияCase Studies
Люминофоры, состав которых приведен в списке примеров, были получены при термической обработке смеси оксидов иттрия, церия, гадолиния, тербия, лантана, иттербия и гидроксида алюминия (или смеси гидроксидов, соосажденных из водных растворов нитратов). Прокалку приготовленных смесей проводили в присутствии минерализаторов (плавней), способствующих увеличению скорости массопереноса за счет образования жидкой фазы на поверхности реагирующих твердых веществ и тем самым приводящих к увеличению скорости образования целевого продукта по реакциям:Phosphors, the composition of which is given in the list of examples, were obtained by heat treatment of a mixture of oxides of yttrium, cerium, gadolinium, terbium, lanthanum, ytterbium and aluminum hydroxide (or a mixture of hydroxides, coprecipitated from aqueous solutions of nitrates). The prepared mixtures were calcined in the presence of mineralizers (fluxes), contributing to an increase in the mass transfer rate due to the formation of a liquid phase on the surface of reacting solids, and thereby leading to an increase in the rate of formation of the target product by reactions:
илиor
где увеличение количества воды на x/2, где x - число моль СеO2 в исходной смеси оксидов, связано с восстановлением в водороде СеО2 до Се2O3.where an increase in the amount of water to x / 2 where x - number of moles of CeO 2 in the initial mixture of oxides due to the reduction in hydrogen of CeO 2 to Ce 2 O 3.
В качестве плавней использовали смеси хлорида и фторида бария (до 7-10% от массы оксидов), а также фториды алюминия и аммония (<1%) в присутствии небольших количеств борной кислоты (<0,5%).Mixtures of barium chloride and fluoride (up to 7-10% by weight of oxides), as well as aluminum and ammonium fluorides (<1%) in the presence of small amounts of boric acid (<0.5%) were used as fluxes.
Исходные вещества (оксиды лантаноидов и гидроксид алюминия) с известным распределением частиц по размерам (лазерный анализатор размера частиц) смешивали в сухом виде на вибростенде или в смесителе типа «пьяная бочка» в закрытых полиэтиленовых сосудах с использованием металлических шаров с полиэтиленовым покрытием. Прокалку проводили в алундовых тиглях (Аl2О3) при постепенном нагревании реагентов в восстановительной среде (N2+H2) со скоростью 7-10 град/мин до температуры 1350-1450ºС. Продолжительность выдержки при высокой температуре составляла 3-5 часов, после чего тигли охлаждали до 400ºС в течение 2,5 часов.The starting materials (lanthanide oxides and aluminum hydroxide) with a known particle size distribution (laser particle size analyzer) were mixed dry on a vibrating stand or in a drunken barrel type mixer in closed polyethylene vessels using polyethylene-coated metal balls. Calcination was carried out in alundum crucibles (Al 2 O 3 ) with gradual heating of the reactants in a reducing medium (N 2 + H 2 ) at a speed of 7-10 deg / min to a temperature of 1350-1450 ° C. The exposure time at high temperature was 3-5 hours, after which the crucibles were cooled to 400 ° C for 2.5 hours.
Исследование приготовленных люминофоров показало, что образцы, состав которых соответствовал стехиометрическому гранату, достаточно сильно спекались и требовали дополнительного измельчения. Если же величина индекса y была >3,1, то дополнительное измельчение не было необходимым и при правильно подобранном гранулометрическом составе прекурсоров средний размер частиц люминофора составлял около 3,5-5,0 мк.A study of the prepared phosphors showed that the samples, whose composition corresponded to a stoichiometric garnet, sintered quite strongly and required additional grinding. If the value of the index y was> 3.1, then additional grinding was not necessary, and with the correctly selected particle size distribution of the precursors, the average particle size of the phosphor was about 3.5-5.0 microns.
Для удаления плавней приготовленные образцы несколько раз промывали большим объемом дистиллированной воды и высушивали в сушильном шкафу при 150ºС.To remove the melt, the prepared samples were washed several times with a large volume of distilled water and dried in an oven at 150 ° C.
Пример №1:Example No. 1:
Синтез образца состава (Y0,847Gd0,129Ce0,024)3,00Al5O12 проводили при использовании в качестве исходных веществ Y2О3, Gd2O3, CeO2 и Аl(ОН)3. Температура прокаливания 1400ºС. Продолжительность выдержки при высокой температуре 3,5 часа.The synthesis of the sample composition (Y 0.847 Gd 0.129 Ce 0.024 ) 3.00 Al 5 O 12 was carried out using Y 2 O 3 , Gd 2 O 3 , CeO 2, and Al (OH) 3 as starting materials. Annealing temperature 1400ºС. Duration of exposure at high temperature 3.5 hours.
Пример №2:Example No. 2:
Синтез образца состава (Y0,851Gd0,127Ce0,022)3,03Al5O12,045. Исходными веществами были соосажденные гидроксиды. Температура прокаливания 1350ºС. Продолжительность выдержки при высокой температуре 3 часа.Synthesis of sample composition (Y 0.851 Gd 0.127 Ce 0.022 ) 3.03 Al 5 O 12.045 . The starting materials were coprecipitated hydroxides. Annealing temperature 1350ºС. Duration of exposure at high temperature for 3 hours.
Пример №3:Example 3:
Синтез образца состава (Y0,864Gd0,115Ce0,021)3,34Al5O12,465 проводили при использовании в качестве исходных веществ Y2О3, Gd2O3, СеO2 и Аl(ОН)3. Температура прокаливания 1400ºС. Продолжительность выдержки при высокой температуре 3,5 часа.The synthesis of the sample composition (Y 0.864 Gd 0.115 Ce 0.021 ) 3.34 Al 5 O 12.465 was carried out using Y 2 O 3 , Gd 2 O 3 , CeO 2 and Al (OH) 3 as starting materials. Annealing temperature 1400ºС. Duration of exposure at high temperature 3.5 hours.
Пример №4:Example 4:
Синтез образца состава (Y0,555Gd0,4La0,005Ce0,04)3,5Al5O12,75 был выполнен при использовании в качестве исходных веществ Y2O3, Gd2O3, La2O3, СеO2 и Аl(ОН)3. Температура прокаливания 1450ºС. Продолжительность выдержки при высокой температуре 4 часа.The synthesis of the sample composition (Y 0.555 Gd 0.4 La 0.005 Ce 0.04 ) 3.5 Al 5 O 12.75 was performed using Y 2 O 3 , Gd 2 O 3 , La 2 O 3 , CeO as starting materials 2 and Al (OH) 3 . Annealing temperature 1450ºС. Duration of exposure at high temperature for 4 hours.
Пример №5:Example No. 5:
Синтез образца состава (Y0,95Gd0,01Ce0,04)3,5Al5O12,75 проводили при использовании в качестве исходных веществ Y2О3, Gd2O3, СеO2 и Аl(ОН)3. Температура прокаливания 1450ºС. Продолжительность выдержки при высокой температуре 4 часа.The synthesis of the sample composition (Y 0.95 Gd 0.01 Ce 0.04 ) 3.5 Al 5 O 12.75 was carried out using Y 2 O 3 , Gd 2 O 3 , CeO 2 and Al (OH) as starting materials 3 . Annealing temperature 1450ºС. Duration of exposure at high temperature for 4 hours.
Пример №6:Example 6:
Синтез образца состава (Y0,955Yb0,005Ce0,04)4,00Al5O13,5 был проведен при использовании в качестве исходных веществ Y2O3, Yb2O3, СеO2 и Аl(ОН)3. Температура прокаливания 1450ºС. Продолжительность выдержки при высокой температуре 4 часа.The synthesis of the sample composition (Y 0.955 Yb 0.005 Ce 0.04 ) 4.00 Al 5 O 13.5 was carried out using Y 2 O 3 , Yb 2 O 3 , CeO 2 and Al (OH) 3 as starting materials. Annealing temperature 1450ºС. Duration of exposure at high temperature for 4 hours.
Пример №7:Example No. 7:
Для синтеза образца состава (Y0,95Tb0,01Ce0,04)5,00Al5O15 в качестве исходных веществ использовали Y2O3, Tb4O7, СеO2 и Аl(ОН)3. Температура прокаливания 1450ºС. Продолжительность выдержки при высокой температуре 5 часов.For the synthesis of a sample of the composition (Y 0.95 Tb 0.01 Ce 0.04 ) 5.00 Al 5 O 15 , Y 2 O 3 , Tb 4 O 7 , CeO 2, and Al (OH) 3 were used as starting materials. Annealing temperature 1450ºС. Duration of exposure at high temperature for 5 hours.
Светотехнические параметры образцов №1-7 измеряли на аттестованных установках по двум методикам. В первой из них спектры спектра белого излучения регистрировали при отражении синего излучения от синтезированных порошков люминофоров с желто-оранжевым свечением. При использовании второй методики спектры измеряли после прохождения синего излучения сквозь твердую органическую матрицу с диспергированным люминофором, т.е. в условиях, имитирующих работу белых ламп на основе синеизлучающих светодиодов (white LED lamp). Результаты спектральных измерений по второй методике приведены в таблице №1 курсивом. Для сравнения там же приведены данные о светотехнических характеристиках промышленных образцов люминофоров производства компании «Ничия».Lighting parameters of samples No. 1-7 were measured in certified installations by two methods. In the first of them, the spectra of the white radiation spectrum were recorded when blue radiation was reflected from the synthesized phosphor powders with a yellow-orange glow. Using the second technique, the spectra were measured after blue radiation passed through a solid organic matrix with a dispersed phosphor, i.e. in conditions simulating the operation of white lamps based on blue-emitting diodes (white LED lamp). The results of spectral measurements by the second method are shown in table No. 1 in italics. For comparison, the data on the lighting characteristics of industrial samples of phosphors manufactured by Nichiya are also presented there.
Рентгенографический фазовый анализ образцов показал, что в диапазоне индекса y от 3 до 3,4-3,5 существует фаза с кубической структурой, гомогенность которой не нарушается несмотря на значительное отклонение индекса от величины, определяющей границу классического граната А3В5O12, в случае которого индекс «3» считается жестко фиксированным.X-ray phase analysis of the samples showed that in the range of the index y from 3 to 3.4-3.5 there is a phase with a cubic structure, the homogeneity of which is not violated despite a significant deviation of the index from the value determining the boundary of the classic garnet A 3 B 5 O 12 , in which case the index "3" is considered to be rigidly fixed.
Анализ литературных данных о кристаллической структуре другого соединения между иттрием-алюминием и кислородом, а именно YAlO3 (Y5Al5O15), показал, что это вещество в зависимости от условий получения может иметь орторомбическую, гексагональную и кубическую структуру [S.Mathur, H.Shen a.o.: J. of Material Chemistry. 2004]. Причем параметры решетки кубической фазы (Selected Powder Diffraction Data, JCPDS, file 38-0222) и дифракционные отражения по всему набору индексов hkl совпадают с Y3Al5O12, несмотря на значительное различие в соотношении между иттрием и алюминием.An analysis of the literature on the crystalline structure of another compound between yttrium-aluminum and oxygen, namely YAlO 3 (Y 5 Al 5 O 15 ), showed that this substance, depending on the preparation conditions, may have an orthorhombic, hexagonal and cubic structure [S. Mathur , H. Shen ao: J. of Material Chemistry. 2004]. Moreover, the lattice parameters of the cubic phase (Selected Powder Diffraction Data, JCPDS, file 38-0222) and diffraction reflections over the entire set of hkl indices coincide with Y 3 Al 5 O 12 , despite a significant difference in the ratio between yttrium and aluminum.
Таким образом, нестехиометрическую фазу , состав которой отвечает вариации индекса от 3 до 3,45, можно рассматривать как гомогенный твердый раствор кубического алюмината иттрия Y5Al5O15 в фазе допированного лантаноидами иттрий-алюминиевого граната. Учитывая подобие структур и совпадение параметров решетки, вариация индекса (при заданных концентрациях церия и составе иттриевой подрешетки), а также связанное с ней изменение соотношения не приводят к ощутимому изменению яркости желто-оранжевой полосы, положения максимума в спектре люминесценции, цветовых координат и цветовой температуры (см. таблицу экспериментальных данных).Thus the non-stoichiometric phase , whose composition corresponds to index variations from 3 to 3.45, can be considered as a homogeneous solid solution of cubic yttrium aluminate Y 5 Al 5 O 15 in the phase of yttrium aluminum garnet doped with lanthanides. Given the similarity of the structures and the coincidence of the lattice parameters, the variation of the index (for given cerium concentrations and the composition of the yttrium sublattice), as well as the related change in the ratio do not lead to a noticeable change in the brightness of the yellow-orange strip, the position of the maximum in the luminescence spectrum, color coordinates, and color temperature (see table of experimental data).
Согласно результатам рентгенографического фазового анализа при индексах (3+α)>3,5 система становится двухфазной. Переход в двухфазную область обнаруживается появлением на фоне дифракционных отражений от кубической фазы набора отражений, принадлежащих орторомбической модификации YAlO3. В правой колонке таблицы приведены данные о соотношении кубической и орторомбической фаз, которое принималось равным отношению интенсивностей 100% отражений от каждой из фаз (куб.: d=2,707, hkl [420]; орторомб. d=2,617, hkl [121]). Образец состава (Y0,95Tb0,01Ce0,04)5Al5O15 был также двухфазным в связи с присутствием одновременно кубической и орторомбической модификаций допированного иттрий-алюминиевого перовскита.According to the results of X-ray phase analysis, at indices (3 + α)> 3.5, the system becomes two-phase. The transition to the two-phase region is detected by the appearance of a set of reflections belonging to the orthorhombic modification of YAlO 3 against the background of diffraction reflections from the cubic phase. The right column of the table contains data on the ratio of the cubic and orthorhombic phases, which was taken to be equal to the ratio of the intensities of 100% reflections from each phase (cubic: d = 2.707, hkl [420]; orthorhomb. D = 2.617, hkl [121]). Sample composition (Y 0,95 Tb 0,01 Ce0, 04) 5 Al 5 O 15 was also biphasic in connection with the presence of both orthorhombic and cubic modifications doped yttrium aluminum perovskite.
При переходе в двухфазную область наблюдалось увеличение интенсивности отражения синего излучения, возрастающего с содержанием орторомбической фазы. Это обусловлено тем, что коэффициент отражения YAlO3 больше, чем у Y3Al5O12 (1,95 и 1,82 согласно [С.Ronda. Luminescence: From Theory to Application. Science. 2007, 260 pp.]).Upon transition to the two-phase region, an increase in the reflection intensity of blue radiation was observed, increasing with the content of the orthorhombic phase. This is because the reflection coefficient of YAlO 3 is greater than that of Y 3 Al 5 O 12 (1.95 and 1.82 according to [C. Ronda. Luminescence: From Theory to Application. Science. 2007, 260 pp.]).
При регистрации спектра суммарного излучения источника белого света в условиях, когда синее излучение отражается от поверхности люминофора, соотношение максимумов синего и желто-оранжевого излучения у образца состава (Y0,96Ce0,04)4,00Al5O13,5 составляло около 3:1 и достигало 6:1 в случае (Y0,95Tb0,01Ce0,04)5Al5O15. Следствием этого было возрастание цветовой температуры от 4278 до 15000 К. Если же синее излучение проходит сквозь полимерную органическую матрицу с суспендированным люминофором, образующую оболочку лампы с синим светодиодом (white LED lamp), то изменяя толщину поглощающего слоя или концентрацию люминофора в фотопреобразующей и рассеивающей среде удается практически полностью «утилизировать» синее излучение и понизить цветовую температуру белого излучения до 4500-6000 К даже у образца состава (Y0,96Tb0,01Ce0,04)5,00Al5O15. При этом яркость люминесценции в интервале индексов от 3,5 до 4,5 уменьшалась менее чем на <20-25% в сравнении с кубической фазой.When registering the spectrum of the total radiation of a white light source under conditions when blue radiation is reflected from the surface of the phosphor, the ratio of the maxima of the blue and yellow-orange radiation in the sample composition (Y 0.96 Ce 0.04 ) 4.00 Al 5 O 13.5 was about 3: 1 and reached 6: 1 in the case of (Y 0,95 Tb 0,01 Ce0, 04) 5 Al 5 O 15. The consequence of this was an increase in the color temperature from 4278 to 15000 K. If the blue radiation passes through a polymer organic matrix with a suspended phosphor forming the shell of a lamp with a blue LED (white LED lamp), then changing the thickness of the absorbing layer or the concentration of the phosphor in the photoconverting and scattering medium it is possible to almost completely “utilize” blue radiation and lower the color temperature of white radiation to 4500-6000 K even for a sample of composition (Y 0.96 Tb 0.01 Ce 0.04 ) 5.00 Al 5 O 15 . Moreover, the luminescence brightness in the range of indices from 3.5 to 4.5 decreased by less than <20-25% in comparison with the cubic phase.
Таким образом, люминесцирующие композиции в системе (Y-Ln)3Al5O12-Y5Al5O15 несмотря на существенное возрастание соотношения элементов от 0,604 до 1 обладают светотехническими свойствами, вполне сопоставимыми с характеристиками образцов, состав которых отвечает стехиометрическому гранату.Thus, the luminescent compositions in the system (Y-Ln) 3 Al 5 O 12 -Y 5 Al 5 O 15 despite a significant increase in the ratio of elements from 0.604 to 1 have lighting properties that are quite comparable with the characteristics of samples whose composition corresponds to a stoichiometric grenade.
Claims (3)
x - атомная доля церия, равная 0,001-0,1;
y - сумма атомных долей (∑Lny) лантаноидов, образующих совместно с иттрием и церием иттриевую подрешетку, которая включает, кроме иттрия и церия, также гадолиний (Gdp), тербий (Tbq), лантан (Lar) и иттербий (Ybs), при этом y=p+q+r+s, где р - атомная доля гадолиния, равная 0,01-0,70; q - атомная доля тербия, равная q=0,001-0,2; г, s - атомные доли лантана и иттербия, равные 0,001-0,1, при этом для всех составов разность [1-х-(p+q+r+s)]=[1-x-y]>0.1. Inorganic luminescent material for solid-state white light sources based on InGaN blue-emitting diodes, including yttrium oxide, rare-earth metal oxides, and aluminum oxide, characterized in that the composition of the inorganic luminescent material corresponds to the general formula (Y 1-xy Ce x ∑ Ln y ) 3 + α Al 5 O 12 + 1,5α , α is a value characterizing an increase in the stoichiometric index in comparison with that known for yttrium-gadolinium garnet and varying in the range from 0.033 to 2;
x is the atomic fraction of cerium, equal to 0.001-0.1;
y is the sum of the atomic fractions (∑Ln y ) of the lanthanides, which together with yttrium and cerium form the yttrium sublattice, which includes, in addition to yttrium and cerium, gadolinium (Gd p ), terbium (Tb q ), lanthanum (La r ) and ytterbium ( Yb s ), with y = p + q + r + s, where p is the atomic fraction of gadolinium, equal to 0.01-0.70; q is the atomic fraction of terbium, equal to q = 0.001-0.2; g, s are the atomic fractions of lanthanum and ytterbium equal to 0.001-0.1, and for all compositions the difference is [1-x- (p + q + r + s)] = [1-xy]> 0.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2474009C2 true RU2474009C2 (en) | 2013-01-27 |
Family
ID=
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2618867C2 (en) * | 2015-10-23 | 2017-05-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва" | Batch for producing cerium-activated aluminate luminophores with crystal garnet structure and method for production thereof |
RU176397U1 (en) * | 2017-04-25 | 2018-01-17 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) | Perovskite-based active optical element with resonant nanoparticles |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2618867C2 (en) * | 2015-10-23 | 2017-05-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва" | Batch for producing cerium-activated aluminate luminophores with crystal garnet structure and method for production thereof |
RU176397U1 (en) * | 2017-04-25 | 2018-01-17 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) | Perovskite-based active optical element with resonant nanoparticles |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8388862B2 (en) | Inorganic luminescent material for solid-state white-light sources | |
US9150785B2 (en) | Red fluorescent materials and preparation methods thereof | |
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 | |
Zhang et al. | Synthesis and characterizations of novel Ba2La8 (SiO4) 6O2: Eu3+ oxyapatite phosphors | |
WO2014101073A1 (en) | Yellow-green to yellow-emitting phosphors based on terbium-containing aluminates | |
Huang et al. | Effect of fluxes on synthesis and luminescence properties of BaSi2O2N2: Eu2+ oxynitride phosphors | |
Singh et al. | Structural and photoluminescence characteristics of M 3 Al 5 O 12: Eu 3+(M= Y, Gd and La) nanophosphors for optoelectronic applications | |
Zhong et al. | Li6Sr (La1− xEux) 2Sb2O12 (0< x≤ 1.0) solid-solution red phosphors for white light-emitting diodes | |
Khattab et al. | Preparation of strontium aluminate: Eu2+ and Dy3+ persistent luminescent materials based on recycling alum sludge | |
Chae et al. | Persistent luminescence of RE3+ co-doped Sr3B2O6: Eu2+ yellow phosphors (RE= Nd, Gd, Dy) | |
Khan et al. | Deep reddish-orange emitting Sr3Gd (PO4) 3: Sm3+ phosphors via modified citrate-gel combustion method | |
Nazarov et al. | SrAl2O4: Eu2+ (1%) luminescence under UV, VUV and electron beam excitation | |
Sun et al. | Synthesis and characterization of Ca 3 Lu (GaO) 3 (BO 3) 4: Ce 3+, Tb 3+ phosphors: tunable-color emissions, energy transfer, and thermal stability | |
Singh et al. | An insight into the luminescence properties of Ce3+ in garnet structured CaY2Al4SiO12: Ce3+ phosphors | |
Guangsheng et al. | Effect of Eu3+ contents on structure and luminescence properties of Na3Bi2-x (PO4) 3: xEu3+ and Na3Bi1-x (PO4) 2: xEu3+ phosphors | |
CN108949173B (en) | Cyan silicate ultra-long afterglow luminescent material and preparation method thereof | |
Zhou et al. | Synthesis and luminescence properties of Mn4+-dopant Ca14Zn6Ga10− xAlxO35 solid solution | |
RU2506301C2 (en) | Luminescent material for solid-state white light sources | |
Wen et al. | Sol-gel processed Ce3+, Tb3+ codoped white emitting phosphors in Sr2Al2SiO7 | |
RU2456327C2 (en) | Luminescent material for solid-state white light sources (versions) | |
RU2474009C2 (en) | Inorganic luminescent material for solid-state sources of white light | |
CN102533269B (en) | Fluorescent material for solid white light source and preparation method thereof | |
WO2014088448A1 (en) | Luminescent material for solid-state sources of white light | |
Yu et al. | Luminescence properties of a new blue-emitting phosphor Ce3+-doped CaLaGa3S7 | |
Zhang et al. | Effects of various fluxes on synthesis of deep red emitting CaAl12O19: Mn4+ phosphors |