TWI385237B - 一種可由紫外光激發之藍光螢光材料及其製備方法 - Google Patents

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一種可由紫外光激發之藍光螢光材料及其製備方法
本發明係關於一種鎵鋅氧氮化合物螢光材料Ga2-x Znx O3-y Ny (其中2>x>0，3>y>0)及製備方法。
白光發光二極體(white light emitting diodes;WLEDs)的製造方法有數種：第一種為藍色LED晶片上塗佈黃色螢光粉，第二種是在藍色LED晶片上塗佈綠色和紅色螢光粉，第三種是利用紅、綠、藍三基色LED晶片混合形成白光，第四種是在紫外光LED晶片上塗佈三基色或多種顏色的螢光粉。
自1996年日本日亞化學公司發表GaN藍色晶片塗佈YAG:Ce3+ 黃色螢光粉形成白光發光二極體後，世界各國均投入大量資金與人力於此相關領域研究。白光LED相較於傳統白熾燈泡，擁有壽命長、耗電量低、體積小、反應速度快、耐震性佳等優點，逐漸取代傳統照明設備，然現階段白光LED在發展上仍需克服散熱、亮度不足以及價格偏高等問題。因此，目前白光LED在照明市場的應用仍以輔助照明為主，如手電筒、車內小燈或建築裝飾用燈等。預期未來白光LED將可望取代傳統照明產品，成為全球照明市場的新主流。
除封裝技術之外，所選用之螢光粉也是影響光源發光效率之重要因素，因此如何改善螢光粉的成份藉以增加螢光轉換效率，也是世界各大光電半導體廠與照明大廠兵家力爭的一塊大餅。傳統單一藍光晶片激發黃光螢光粉所形成之白光，其演色性不佳，導致被照射物色彩飽和度差，降低了商業照明的使用價值。經過多年的研究與發展，發現利用高效率的紫外光發光二極體(UV-LED)作為激發光源，是未來白光發光二極體成為照明裝置的另一選擇。由於UV-LED之技術已漸趨成熟，為配合其發光波長以製備高效率與高亮度之白光發光二極體，因此發展UV-LED激發源之螢光材料漸趨重要。
習知技術中，揭示化學式為xZnO+(2-x-y/2)Ga2 O3 +yAl2 O3 :zMn2+ 之鋁氧化合物作為綠色螢光材料，可受UV-LED激發，發射出綠色光範圍之波長，藉由調控組成元素比例，經UV-LED激發產生不同放射波長。另一習知技術中則揭示化學式為ZnO‧Ga2 O3 :xDy之化合物作為藍色螢光材料。
本發明揭示一種鎵鋅氧氮化合物螢光材料，其通式為Ga2-x Znx O3-y Ny ，其中2>x>0，3>y>0。
本發明揭示一種鎵鋅氧氮化合物螢光材料，其主要以氧缺陷為材料本質之發光中心，無須摻雜稀土族元素即可產生螢光效應。
本發明揭示一種鎵鋅氧氮化合物螢光材料，其於紫外光激發下，可產生藍光光譜，而於CIE座標座落於高色純度藍光之區域。
本發明揭示一種鎵鋅氧氮化合物螢光材料之製備方法，其係利用固態反應法製備而成。
於本發明之一較佳實施例中，揭示一螢光材料為Ga2-x Znx O3-y Ny ，其中2>x>0，3>y>0；本實施例中選擇x=1，y=0.03，以固態反應法合成，其製作方法如下：
一、首先依化學計量比分別取一含有鎵的第一反應物，如：Ga2 O3 ；含有鋅的第二反應物，如：ZnO；以及含有氮之第三反應物，如：CH4 N2 O；使其形成配方為Ga2-x Znx O3-y Ny 。
二、以研缽研磨並充分混合後，將均勻混合物置於氧化鋁坩鍋中，再將氧化鋁坩鍋置入高溫爐於200℃～900℃加熱1～3小時。本實施例是在空氣氣氛環境下，以5℃/min之升溫速率加熱至所需反應溫度後再持續加熱1小時，接著再以5℃/min之降溫速率冷卻至室溫。再取出並以研缽研磨，使其成為顆粒均勻之粉末，即得到一鎵鋅氧氮化合物螢光粉體(GaZnO2.67 N0.33 )。
上述之各反應物，例如Ga2 O3 、ZnO、CH4 N2 O可直接於市售之商品取得。此外，反應物Ga2 O3 可以Ga(CH3 COO)2 與GaO代替；反應物ZnO可直接以金屬鋅經過氧化處理所製得，再與本實施例中其它反應物進行後續之製程。
根據本發明實施例所製備之Ga2-x Znx O3-y Ny (x=1，y=0.03)樣品，以X光粉末繞射儀鑑定其晶相純度，結果如第1圖所示。將本發明不同反應溫度合成之樣品與標準氧化鎵化合物(ICSD no：11-0370)X光粉末繞射圖譜比較(圖中為不同反應溫度(a)200℃(b)300℃(c)400℃(d)500℃形成化合物)：可知反應溫度200℃至400℃時，本發明實施例所合成之鎵鋅氧氮化合物螢光體為一類似氧化鎵之化合物，具單斜晶系(monoclinic)之結構，其中鋅佔據部份鎵的位置，氮佔據部份氧的位置，並產生氧缺陷。此鎵鋅氧氮化合物螢光體可產生螢光效應主要是以氧缺陷為材料本質之發光中心，因而無須摻雜其它稀土族元素。若反應溫度至500℃時，將有雜相產生(請見第1圖中(d)繞射圖譜中灰色圓標籤位置)。
參考第2A圖及第2B圖，分別為螢光材料Ga2-x Znx O3-y Ny (x=1，y=0.03)之激發(excitation)光譜圖與放射(emission)光譜圖。由第2A圖中可知，此螢光材料適合被紫外光激發，其激發光源可為波長介於300～400nm間之發光二極體或電漿，即本發明之螢光粉適合寬波長之激發。此外於第2B圖中亦可看出，於300～330nm激發光源下，可得最佳之發光強度其波長約於400～450nm，此乃為一藍色螢光粉。本實施例利用不同反應溫度燒結，可由放射光譜第2B圖得知反應溫度於300℃時，其發光強度最強；但溫度增加至500℃時，由於雜相的產生造成發光強度幾乎消失。
將第2B圖各反應溫度所得放射光譜之數據以1931年由國際照明委員會(Commission International de l’ Eclairage，CIE)所制定之色度座標圖(Chromaticity diagram)之公式換算成各螢光體所代表之色度座標(見表1)，標示於第3圖。圖中各點係將Ga2-x Znx O3-y Ny (x=1，y=0.03)各反應溫度放射光譜以程式轉換所得於色度座標模擬之位置，而中間白色處所代表的是理論之白光位置(0.31，0.32)。由色度座標位置可知本發明實施例所製備之螢光材料位於藍色的座標位置，其色純度非常高，且各不同反應溫度其座標差異很小。
以上提供之實施例係用以描述本發明不同之技術特徵，但根據本發明之概念，其可包括或運用於更廣泛之技術範圍。須注意的是，實施例僅用以揭示本發明製程、裝置、組成、製造和使用之特定方法，並不用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍，當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
第1圖係本發明之實施例所製備之Ga2-x Znx O3-y Ny (x=1，y=0.03)樣品之X光粉末繞射圖譜。
第2圖係本發明之實施例所製備之Ga2-x Znx O3-y Ny (x=1，y=0.03)樣品之(A)光激發與(B)光發射之光譜圖。
第3圖係將第2(B)圖之光放射光譜以程式轉換所得於CIE色度座標圖。

Claims (14)

  1. 一種鎵鋅氧氮化合物螢光材料，該螢光材料通式為Ga2-x Znx O3-y Ny ，其中2>x>0，3>y>0，於紫外光激發下，該螢光材料可產生藍光光譜。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之鎵鋅氧氮化合物螢光材料，該螢光材料通式中x之較佳值為1。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之鎵鋅氧氮化合物螢光材料，該螢光材料通式中y之較佳值為0.33。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之鎵鋅氧氮化合物螢光材料，該螢光材料具有至少一氧缺陷，該氧缺陷可作為發光中心。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之鎵鋅氧氮化合物螢光材料，該螢光材料大致上無稀土族元素。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之鎵鋅氧氮化合物螢光材料，該螢光材料於300～400nm波長之光源照射下，可放出藍色之螢光。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之鎵鋅氧氮化合物螢光材料，該300～400nm波長之光源可來自發光二極體或電漿。
  8. 一種鎵鋅氧氮化合物螢光材料之製備方法，包含：將包含有鎵之第一反應物、包含有鋅之第二反應物、包含有氮之第三反應物混合成一混合物；及將該混合物在空氣氣氛中加熱形成一鎵鋅氧氮化合物螢光材料，該螢光材料通式為Ga2-x Znx O3-y Ny ，中其中2>x>0，3>y>0，於紫外光激發下該螢光材料可產生藍光光譜。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之鎵鋅氧氮化合物螢光材料之製備方法，其中該含有鎵之第一反應物包含至少一種材料選自於三氧化二鎵(Ga2 O3 )、乙酸鎵(Ga(CH3 COO)2 )及一氧化鎵(GaO)所構成之材料群組。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之鎵鋅氧氮化合物螢光材料之製備方法，其中該含有鋅之第二反應物包含至少一種材料選自於一氧化鋅(ZnO)或直接以金屬鋅經過氧化處理所製得。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之鎵鋅氧氮化合物螢光材料之製備方法，其中該含有氮之第三反應物包含至少一種材料選自於尿素(CH4 N2 O)。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之鎵鋅氧氮化合物螢光材料之製備方法，其中將該混合物於空氣環境下，以200℃～900℃加熱1～3小時。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之鎵鋅氧氮化合物螢光材料之製備方法，其中於空氣環境下加熱之加熱溫度較佳為300℃。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之鎵鋅氧氮化合物螢光材料之製備方法，其中於空氣環境下加熱之加熱時間較佳為1小時。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Jan B. Talbot, "Develop of White-Light Emitting Active Layers in Nitride Based Heterostructure for Phosphorless Solid State Lighting", work program Final Report 2008/03/31 *
Kazuhiko Maeda et al., "Photocatalyst releasing hydrogen from water", nature, vol. 440, page 295 2006/03/16 Dae-Kue Hwang et al,. "p-ZnO/n-GaN heterostructure ZnO light-emitting diodes", Applied Physics letters, 86, 222101 2005/05/24 *

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