TWI491707B - 以abos:m為基之磷光體及含該磷光體之光源 - Google Patents
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Description
本發明關於以通式ABOS:M之氧硫化物主體晶格為基之高效率無機磷光體。此外,本發明關於該磷光體在各種技術應用中之用途,諸如螢光燈、發有色光或白光LED、以UV或紫光雷射作為激發源運作之掃描光束顯示器及其他裝置,以便使尤其是UV或NUV輻射或短波可見光轉換成有用的較長波可見光輻射。本發明亦關於含有本發明之磷光體的光源及/或顯示器應用。
CaZnOS係在1997年以V. I. Yarygin、M. M. Shokarev、V. E. Mamaev、I. M. Kolganov、N. I. Kopylov之Izvestija Akademii Nauk SSSR,Metally 2(1977)104-7敘述為第一種氧硫化鹼土金屬鋅化合物。
此外,CaZnOS之製備、結構及物理性質係在一些出版物中提出,例如在S. A. Petrova、V. P. Marevich、R. G. Zakharov、E. N. Selivanov、V. M. Chumarev,L. Yu. Udoeva之Doklady Chemistry,393(2003)255-258中及T. Sambrook、C. F. Smura、S. J. Clarke、K. M. Ok、P. Shiv Halasyamani之Inorg. Chem. 46(2007)2571-2574中。另外,BaZnOS之製備及結構係由S. Broadley、Z. A.、F.、C. F. Smura、S. J. Clarke發表在Inorg. Chem. 44(2005)9092-9096中。已顯示出CaZnOS及BaZnOS以不同的結構結晶,其係鑑於CaZnOS具有P63
mc之空間群的六角對稱及BaZnOS具有Cmcm之空間群的斜方對稱。
第一種以Cu活化之以BaZnOS為基之磷光體係由Xia,Y.等人在Solid State Science,2007,9,1074中以”Luminescence properties of Cu-activated BaZnOS phosphor”提出。另外,以Mn及Cu活化之以BaZnOS為基之磷光體係揭示在CN 101081979 A中。
本發明的目的係提供新穎的發光帶磷光體,其顯示出關於在以紫外光或藍光範圍內之輻射激發時的效率及關於小的半高寬之改進性質。
本發明揭示具有通式ABOS:M之磷光體,其中A為至少一種選自由Ca、Mg、Sr及Ba所組成之群組的元素,B為至少一種選自由Zn及Mg所組成之群組的元素,及M為至少一種選自由Mn2+
、Cu2+
,及Eu2+
、Pb2+
、Sb3+
、Sn2+
、Bi3+
、Ce3+
、Tb3+
及Pr3+
所組成之群組的第一元素。M另外含有一或多種選自由Mn2+
、Cu2+
、Cu+
、Ag+
、Pb2+
、Sb3+
、Sn2+
、Bi3+
、Eu2+
、Ce3+
、Tb3+
、Pr3+
及La3+
以及Li+
、Na+
、K+
及Rb+
所組成之群組的第二元素。第二元素中之至少一者不同於第一元素中之每一者;亦即M係由至少兩種不同的元素所組成。單個第一元素或多個第一元素充當活化劑。單個第二元素或多個第二元素充當共活化劑或敏化劑。
如果使用三價活化劑Sb3+
、Bi3+
、Ce3+
、Tb3+
及/或Pr3+
時,則藉由加入單價陽離子,諸如鹼金屬離子Li+
、Na+
、K+
、Rb+
使電荷等化是可能的。如果使用一種以上的活化劑時,則活化劑中之一可當作共活化劑或敏化劑。
該活化劑、共活化劑及/或敏化劑之濃度較佳地係經調整在從大於0到至多50原子%之範圍內。
本發明之磷光體顯示出在200奈米至550奈米之範圍內的激發帶。該磷光體亦可以陰極(CR)輻射激發。
較佳地,本發明之磷光體係取決於活化劑離子及活化劑濃度而發射在400奈米至780奈米之可見光範圍內的較長波輻射。
在較佳的具體實例中,M的第一元素中之一為Mn2+
;亦即磷光體係以Mn2+
活化。M的單個第二元素或多個第二元素係選自由Cu2+
、Pb2+
、Sn2+
、Eu2+
、Bi3+
、Ce3+
、Tb3+
、La3+
及Pr3+
以及Li+
、Na+
、K+
及Rb+
所組成之群組。該元素可當作共活化劑或敏化劑。如果使用三價活化劑時,則以單價陽離子,諸如Li+
、Na+
、K+
、Rb+
使電荷等化是可能的。本發明以Mn2+
活化之ABOS磷光體顯示出高效率的窄帶橘光至紅光發射。由於敏化劑或共活化劑離子而使進一步更弱的發射帶或線亦可能出現。以Mn2+
活化之ABOS磷光體可以UV輻射或短波可見光激發。該磷光體的優點是其激發性可藉由敏化劑及/或共活化劑離子的選擇而修改,所以可擴大磷光體的應用領域。敏化劑離子的功能在於有效吸收不可就作為單獨的發光中心之Mn2+
離子而施予之激發輻射及在於吸收之能量以高效率能量轉移至Mn2+
離子,導致強的Mn2+
發射。因此,可擴大應用領域,尤其就其中NUV或較長波輻射被用作激發源(諸如發白光LED)之應用。
在本發明之磷光體較佳的具體實例中,Mn2+
為M的唯一第一元素且磷光體顯示出下列通式中之一者:
-CaZnOS:M;
-CaZnOS:M,其中M的第二元素為Pb2+
;
-BaZnOS:M;
-BaZnOS:M,其中M的第二元素為La3+
及Li+
;
-BaZnOS:M,其中M的第二元素為Bi3+
及Li+
;
-BaZnOS:M,其中M的第二元素為Pb2+
。
在特殊的具體實例中,本發明之磷光體係以BaZnOS為基,而Ba可被Mg、Ca及/或Sr部分取代,而Zn可被Mg部分取代。磷光體係以Mn2+
及一或多種選自主族元素Pb2+
、Sn2+
、Bi3+
、Sb3+
、Li+
、Na+
、K+
及Rb+
;選自稀土元素,諸如Eu2+
、Ce3+
、Tb3+
、Pr3+
及La3+
;及選自過渡金屬族Ag+
、Cu+
及Cu2+
之元素活化。除了Mn2+
以外,以其他的活化劑當作共活化劑或敏化劑。如果使用三價活化劑時,則以加入單價陽離子,諸如鹼金屬離子Li+
、Na+
、K+
、Rb+
使電荷等化是可能的。以Mn2+
活化之BaZnOS磷光體顯示出在介於550奈米與780奈米之間的波長範圍內在620奈米至650奈米成尖峰之紅光發射帶。由於敏化劑或共活化劑離子而使進一步更弱的發射帶或線亦可能出現。相較於非敏化之BaZnOS,本發明的敏化之以Mn2+
活化之BaZnOS的最大激發係經紅位移。因此,有可能使用350奈米或較長波長之UV輻射來激發磷光體。因此,本發明之磷光體可應用於例如光應用中,諸如高壓汞放電燈或發白光LED。
在更特殊的具體實例中,本發明之磷光體係以CaZnOS為基,而Ca可被Mg、Sr及/或Ba部分取代,而Zn可被Mg部分取代。對照諸如Sr2
OS或Ca2
OS之鹼土金屬氧硫化物及鹼土金屬硫化物,CaZnOS在濕空氣中具有化學穩定性。此磷光體可以一或多種選自過渡金屬族Mn2+
、Cu2+
、Cu+
及Ag+
;主族元素Pb2+
、Sb3+
、Sn2+
、Bi3+
、Li+
、Na+
、K+
及Rb+
;及稀土元素Eu2+
、Ce3+
、Tb3+
、Pr3+
及La3+
之M的第一元素活化。如果使用一種以上的活化劑時,則活化劑中之一可當作共活化劑或敏化劑。如果使用三價活化劑時,則以單價陽離子,諸如鹼金屬離子Li+
、Na+
、K+
、Rb+
使電荷等化是可能的。根據此具體實例之本發明磷光體可以UV輻射或短波可見光激發,且取決於活化劑離子及活化劑濃度而顯示出在400奈米至780奈米之可見光範圍內的較長波發射帶,例如以Pb2+
或Bi3+
活化之CaZnOS磷光體在以UV輻射激發時,其顯示出在350奈米至550奈米之波長範圍內具有分別在405奈米至425奈米及460奈米至480奈米之波峰中心的藍光發射帶。
由於其非中心對稱結構而使CaZnOS尤其適合於以Mn為基之發光。以Mn2+
活化之CaZnOS磷光體不僅可以UV-B輻射激發,並亦具有在380奈米至550奈米之波長範圍內的強激發帶。這些磷光體顯示出在550奈米至780奈米之波長範圍內在610奈米至620奈米成尖峰之橘-紅光發射帶。較佳地,以Mn2+
活化之CaZnOS磷光體以Cu2+
、Cu+
、Ag+
、Pb2+
、Sn2+
、Bi3+
、Ce3+
、Tb3+
、La3+
及Pr3+
共活化及/或敏化。藉此可修改磷光體的激發性且增加效率。由於敏化劑離子的功能而有可能施予不可單獨就Mn2+
離子施予但是可有效地被敏化劑離子吸收之激發輻射。在從敏化劑離子所吸收之能量以高效率轉移至Mn2+
發光中心之後,在觀察例如CaZnOS:Mn2+
,Pb2+
時(亦即M係由Mn2+
及Pb2+
所組成)顯示出以Mn2+
為基之強發射。該活化劑之組合物的優點在於大為增強本發明之磷光體在介於300奈米與400奈米之間的NUV範圍內之激發性。
由於所述之發光特徵而使根據本發明之磷光體可用作轉變陰極、UV、紫外光或藍光輻射成為可以磷光體發射之較長波可見光(較佳地在藍至紅光譜區域)的輻射轉化體。
可將陰極射線管(CRT)、以特殊雷射為基之大螢幕顯示器、螢光燈、發有色光或白光LED及亦例如光伏打電池或溫室箔或玻璃認為是適當的技術裝置。
使用高或低壓放電電漿、發UV或藍光有機或無機發光二極體(LED)或適當的雷射或雷射二極體,或另外使用無機薄或厚電場發光螢幕作為本發明之磷光體電子產生器之激發源。
本發明之磷光體可用作相關發光元件中的單個組份或與其他的發紅光、發黃光、發綠光及/或發藍光磷光體組合使用,以改進各自應用的性能。後者符合例如螢光燈及發白光LED之演色性指數(CRI)的改進。
本發明之光源包含根據本發明的第一磷光體及發紅光、發黃光、發綠光及/或發藍光的第二磷光體。
本發明之磷光體可藉由小心混合鹼土金屬氧化物與ZnS以及一或多種活化劑或共活化劑化合物及接著在900-1200℃下(較佳地1000-1100℃)於惰性氣氛(氮氣、惰性氣體)或於還原氣氛(H2
/N2
)中將該混合物燃燒4-48小時而製備。
-可使用另一鹼土金屬氧化物前驅物,諸如對應之乙酸鹽、碳酸鹽、硝酸鹽、草酸鹽或硫酸鹽代替鹼土金屬氧化物。
-ZnS可被MgS部分取代。
-可使用MnO、氧化錳前驅物,諸如碳酸錳(II)、硝酸錳、硫酸錳,以及其他的錳化合物,諸如MnS或更多錳(II)鹽作為活化劑化合物。
-可使用銅、銀、鉛、錫、鉍、鈰、銪、鑭、鐠及鋱之氧化物以及其前驅物,諸如對應之乙酸鹽、碳酸鹽、硝酸鹽、草酸鹽或硫酸鹽,或上述金屬的更多鹽類作為活化劑化合物。
-可使用鋰、鈉、鉀或銣之氧化物以及其前驅物,諸如對應之乙酸鹽、碳酸鹽、硝酸鹽、草酸鹽或硫酸鹽,或上述金屬的更多鹽類作為共活化劑化合物,以維持在使用三價活化劑時的電荷中性。
-可使用熔化劑,諸如鹼金屬鹵化物、鹼土金屬鹵化物及鹵化銨,以改進晶體習性及控制晶粒大小。
在另一具體實例中,磷光體係從鹼土金屬硫化物及ZnO以及一或多種根據上述程序之活化劑化合物所製造。ZnO可被MgO部分取代。用於製備本發明之磷光體的第三種方法係以鹼土金屬氧化物或對應之前驅物及ZnO以及上述活化劑化合物中之一與硫、鈉鹼及適當的助熔劑,諸如鹼金屬磷酸鹽在介於900℃與1200℃之間的溫度下於空氣上的反應為基礎。ZnO可被MgO部分取代。
本發明之磷光體的晶粒大小可在大的範圍內變動。磷光體之平均晶粒大小可為數奈米。然而,晶粒大小可經調整成至多30微米之粒子大小。
在本發明之上下文中,發現不在當前此專利申請案中所主張的另一磷光體。此磷光體顯示出通式ABOS:M,其中A為至少一種選自由Ca、Mg、Sr及Ba所組成之群組的元素,B為至少一種選自由Zn及Mg所組成之群組的元素,且M為至少一種選自由Mn2+
、Cu2+
,及Eu2+
、Pb2+
、Sb3+
、Sn2+
、Bi3+
、Ce3+
、Tb3+
及Pr3+
所組成之群組的第一元素;以及另外沒有或至少一種選自由Mn2+
、Cu2+
、Cu+
、Ag+
、Pb2+
、Sb3+
、Sn2+
、Bi3+
、Eu2+
、Ce3+
、Tb3+
、Pr3+
及La3+
以及Li+
、Na+
、K+
及Rb+
所組成之群組的第二元素。在較佳的具體實例中之一,M不含有第二元素。在另一較佳的具體實例中,磷光體顯示出通式CaZnOS:M,而Ca可被Mg、Sr及/或Ba部分取代;而Zn可被Mg部分取代;及然而M不含有第二元素。在進一步較佳的具體實例中,磷光體顯示出通式CaZnOS:Mn2+
,而Ca可被Mg、Sr及/或Ba部分取代;而Zn可被Mg部分取代。此外,此磷光體可以類似於本發明之磷光體的上述具體實例的方式施行。
本發明之上述特性及優點係藉由參考下列與所附圖式結合之本發明較佳具體實例之詳細敘述而變得更為瞭解且更可輕易地領會,其中:圖1:CaZnOS(比較樣品1)及分別CaZnOS:Mn2+
樣品1與2之漫散反射光譜;圖2:CaZnOS:Mn2+
樣品1之激發及發射光譜;圖3:CaZnOS:Mn2+
(樣品3)及CaZnOS:Mn2+
,Pb2+
(樣品4)在365奈米激發下之發射光譜;及圖4:BaZnOS:Mn2+
比較樣品2、BaZnOS:Mn2+
,Bi3+
,Li+
(樣品5)及BaZnOS:Mn2+
,La3+
,Li+
(樣品6)在365奈米激發下之發射光譜。
本發明之以Mn2+
活化之CaZnOS磷光體的一些有利的實施例之製備及光發光性質呈現於下。多結晶狀CaZn1-x
Mnx
OS(0≦x≦0.2)粉末係以在高溫下的固態反應而製備。秤取適量的CaCO3
、ZnS及MnCO3
粉末,並接著混合及研磨在一起。在細節方面適用於0.015莫耳之磷光體:
接著將粉末混合物轉移至鉬坩堝中。接著將那些粉末混合物在1000℃下於流動的N2
氣氛下燃燒48小時。在燃燒之後,將樣品在熔爐中逐漸冷卻至室溫。
圖1顯示未摻雜之比較品及以Mn2+
摻雜之CaZnOS樣品之漫散反射光譜。未摻雜及以Mn2+
摻雜之樣品二者顯示出在低於300奈米之UV範圍內對應於CaZnOS主體晶格之吸收的強烈落差之反射率。另外,可從較高的Mn2+
濃度樣品1及2之反射光譜看到數個位於396奈米、438奈米及490奈米之窄的強吸收帶,其可歸因於Mn2+
離子之吸收,由於其不存在於未摻雜之CaZnOS中(比較樣品1)。吸收帶強度因較高的Mn2+
濃度而增加。以Mn2+
離子在約350-550奈米之可見光範圍內的強吸收結果,使CaZnOS:Mn2+
磷光體顯示出隨Mn2+
濃度變動的白至粉紅色。事實上,CaZnOS:Mn2+
磷光體之吸收行為不尋常且與預期相反,因為由於嚴格禁止之Mn2+
離子的d-d躍遷而預期在可見光範圍內的弱吸收。
圖2顯示CaZnOS:Mn2+
(5%)磷光體(樣品1)之激發及發射光譜。
CaZnOS:Mn2+
磷光體之發射光譜顯示出在550奈米至700奈米之波長範圍內具有在與激發波長無關的614奈米上之波峰中心的窄對稱發射帶。此單個窄發射帶的一半寬度為約50奈米。
CaZnOS:Mn2+
磷光體之激發光譜延伸出寬的波長範圍(230奈米至550奈米)且與圖1中的漫散反射光譜一致。從相較於反射光譜可結論出低於350奈米之短的強激發帶確實源自於主體晶格激發。在Mn2+
之激發光譜中之主體晶格激發帶的出現顯示有從CaZnOS之主體晶格以高效率能量轉移至Mn2+
離子的存在。可將在350奈米至550奈米之波長範圍內的剩餘激發帶指配給Mn2+
離子之躍遷。主體晶格激發帶及Mn2+
激發帶之形狀及位置與Mn2+
摻雜濃度幾乎無關,除了隨著增加的Mn2+
濃度而在主體晶格激發帶的波峰中心有少些的紅位移以外。另外,在激發帶之間的強度比隨著增加的Mn2+
濃度而增加。最後,在CaZnOS主體晶格中的Mn2+
之典型的帶發射可以兩種方式實現-直接在其本身的激發水平上激發Mn2+
離子或從主體晶格以高效率能量轉移至Mn2+
離子之後激發主體晶格;-製造適合於UV以及發白光LED應用之磷光體。至於CaZnOS及BaZnOS之化合物,應該提及Mn2+
在該兩種化合物中顯示出不同的發光性質,可將其認定為Mn離子在該兩種化合物中不同的晶體結構及不同的配位環境。尤其以CaZnOS:Mn磷光體在350奈米至550奈米之波長範圍內的高吸收及強激發帶是作為LED轉換磷光體之應用的非常有利的性質。
本發明之磷光體的重要特性是以更多活化劑及/或敏化劑加入以Mn2+
活化之CaZnOS或BaZnOS磷光體中。此等敏化之磷光體係如以下所述方式製備:秤取適量的CaCO3
或BaC2
O4
、ZnS、MnS、PbCO3
、Bi2
O3
、La2
O3
及Li2
CO3
粉末,並接著混合及研磨在一起。在細節方面適用於0.25莫耳之磷光體:
接著將粉末混合物轉移至氧化鋁坩堝中。接著將那些粉末混合物在920-1050℃下於流動的N2
氣氛下燃燒8小時。在燃燒之後,將樣品在熔爐中逐漸冷卻至室溫。
不幸的是,其中M=Ca、Ba之MZnOS:Mn2+
磷光體顯示缺乏在320奈米至430奈米之範圍內的激發性。在CaZnOS的情況中,該問題可以使用Pb2+
離子作為另一活化劑來克服,其亦充當敏化劑。
圖3顯示出CaZnOS:Mn2+
磷光體及CaZnOS:Mn2+
,Pb2+
磷光體在365奈米激發下相比較之發射光譜。當以330奈米至380奈米之UV輻射激發時,則以Pb2+
離子摻雜之CaZnOS磷光體僅顯示出在350奈米至550奈米之波長範圍內具有分別在405奈米至425奈米之波峰中心的藍光發射帶。當磷光體與Mn2+
離子共摻雜時,則發生從激發之Pb2+
離子以高效率能量轉移至Mn2+
離子且可觀察到強的紅光Mn2+
發射。
BaZnOS:Mn2+
磷光體在NUV範圍內之激發性尤其可藉由共摻雜Bi3+
、La3+
或Pb2+
而增加,如在圖4中以Bi3+
及La3+
所證明。當使用三價活化劑時,可加入單價離子,諸如Li+
、Na+
、K+
或Rb+
,以維持化合物的電荷中性。當以365奈米之NUV輻射激發時,則以Bi3+
及Pb2+
活化之BaZnOS磷光體顯示出在400奈米至550奈米之波長範圍內具有分別在470奈米至495奈米及455奈米至460奈米之波峰中心的藍光發射帶。當在NUV範圍內激發時,則以Mn2+
及Bi3+
或La3+
及Li+
摻雜之BaZnOS磷光體顯示出在550奈米至700奈米之波長範圍內具有在約630奈米至635奈米之波峰中心的窄對稱發射帶。可將此發射帶認定為錳發光及從激發之Bi3+
或La3+
離子以高效率能量轉移至Mn2+
離子的結果。
然而,本發明之磷光體的組成物不限於所述之實施例。
圖1:CaZnOS(比較樣品1)及分別CaZnOS:Mn2+
樣品1與2之漫散反射光譜;
圖2:CaZnOS:Mn2+
樣品1之激發及發射光譜;
圖3:CaZnOS:Mn2+
(樣品3)及CaZnOS:Mn2+
,Pb2+
(樣品4)在365奈米激發下之發射光譜;及
圖4:BaZnOS:Mn2+
比較樣品2、BaZnOS:Mn2+
,Bi3+
,Li+
(樣品5)及BaZnOS:Mn2+
,La3+
,Li+
(樣品6)在365奈米激發下之發射光譜。
Claims (9)
- 一種具有通式:ABOS:M之磷光體,其中- A為至少一種選自由Ca、Mg、Sr及Ba所組成之群組的元素;- B為至少一種選自由Zn及Mg所組成之群組的元素;- M由至少一種第一元素,其係Mn2+ ;及另外至少一種選自由Pb2+ 、Bi3+ 及La3+ 以及如果使用三價活化劑,選自由Li+ 、Na+ 、K+ 及Rb+ 所組成之群組的第二元素所組成。
- 根據申請專利範圍第1項之磷光體,其中Mn2+ 為M的唯一第一元素且磷光體顯示出下列通式中之一:- CaZnOS:M;- CaZnOS:M,其中M的第二元素為Pb2+ ;- BaZnOS:M;- BaZnOS:M,其中M的第二元素為La3+ 及Li+ ;- BaZnOS:M,其中M的第二元素為Bi3+ 及Li+ ;- BaZnOS:M,其中M的第二元素為Pb2+ 。
- 根據申請專利範圍第1或2項之磷光體,其中M係經調整在從大於0到至多50原子%之範圍內。
- 根據申請專利範圍第1或2項之磷光體,其中該磷光體顯示出在400-780奈米之可見光範圍內的發射帶。
- 一種光源,其包含發射第一輻射之發光元件及根據申請專利範圍第1至4項中任一項之磷光體,其中該磷光體被用作轉變以發光元件所發射之該第一輻射的至少相關部分的輻射轉化體。
- 根據申請專利範圍第5項之光源,其中以該發光元件所發射之該第一輻射包含陰極、UV、紫外光或藍光輻射,其被部分或完全轉變成將以磷光體發射之較長波可見光,較佳地在藍至紅光譜區域內。
- 根據申請專利範圍第5或6項之光源,其中該發光元件為電子產生器、高或低壓放電電漿、發UV或藍光之有機或無機發光二極體(LED)或雷射或雷射二極體,或另外為無機薄或厚電場發光螢幕。
- 根據申請專利範圍第5或6項之光源,其進一步包含至少一種發紅光、黃光、綠光及/或藍光的第二磷光體。
- 根據申請專利範圍第7項之光源,其進一步包含至少一種發紅光、黃光、綠光及/或藍光的第二磷光體。
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