Eu2+摻雜CaAlSiN3基氮化物紅色熒光粉及其發(fā)光性能研究

張 宏，王 樂*，羅 東，鄭紫珊，李旸暉, 2，潘貴明

1. 中國計(jì)量大學(xué)光學(xué)與電子科技學(xué)院，浙江 杭州 310018 2. 浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027

引 言

白光發(fā)光二極管(white light-emitting diodes，wLEDs)作為繼白熾燈、熒光燈及高壓氣體放電燈之后的第四代照明光源，以其高效、環(huán)保、響應(yīng)快、體積小、壽命長等突出特性在半導(dǎo)體照明、顯示背光源、汽車大燈等方面有著極為廣闊的應(yīng)用前景[1-4]。1994年，日本諾貝爾得主中村修二等人曾利用GaN材料研發(fā)出首個(gè)藍(lán)光LED，推動(dòng)了藍(lán)光芯片+熒光粉的LED研發(fā)熱潮。當(dāng)前，主流商用白光LED是由藍(lán)光LED芯片與黃色熒光粉Y3Al5O12∶Ce3+(YAG∶Ce3+)組合而成[5-6]，由于黃色熒光粉YAG∶Ce3+光譜中缺少紅光成分，導(dǎo)致器件色溫(CCT,Tc>4 000 K)較高、顯色指數(shù)(CRI,Ra<80)較低[6-7]，難以滿足室內(nèi)照明以及寬色域液晶顯示(LCD)背光源的要求，為改善白光LED的光色性能，需要向器件中添加適量的紅色熒光粉。當(dāng)前所研究紅色熒光粉的合成及應(yīng)用普遍存在以下問題[7-10]： (1)熒光粉的最佳激發(fā)波長不在常用藍(lán)光/紫外LED芯片發(fā)光波長范圍內(nèi)，導(dǎo)致其發(fā)光效率不高； (2)熒光粉本身的發(fā)光性能不佳，采用常規(guī)LED芯片激發(fā)時(shí)很難達(dá)到理想的封裝效果； (3)熒光粉在被有效激發(fā)時(shí)，其較窄的發(fā)射光譜范圍無法滿足白光LED出射光光譜的理想補(bǔ)償效果； (4)熒光粉基質(zhì)與商用黃粉YAG基質(zhì)的匹配具有局限性，基質(zhì)本身及兩者之間的散射和衰減等影響因素尚需進(jìn)一步深入研究。

因此，通過尋找最佳的紅色熒光粉與綠色(或者黃色)熒光粉混合，被藍(lán)光LED芯片激發(fā)合成白光的方式，可以提高wLED的顯色效果。CaAlSiN3[11](CASN)熒光粉是由[SiN4]四面體結(jié)構(gòu)組成，在穩(wěn)定性上表現(xiàn)突出，填補(bǔ)了紅色熒光粉的空缺。2018年，Yao等[12]通過藍(lán)色芯片激發(fā)M—Si—Al—O—N類硅基氮化合物紅色熒光粉，來實(shí)現(xiàn)高效高穩(wěn)定性白光LED。研究表明，硅氮基化合物熒光粉是物理化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、發(fā)光性能優(yōu)異的熒光材料，適合應(yīng)用于wLED封裝應(yīng)用中； 2017年，Chen等[13]為提高白光LED顯色性，采用藍(lán)光LED芯片激發(fā)YAG∶Ce3+，CaAlSiN3∶Eu2+封裝而成，顯色指數(shù)Ra可達(dá)到80.3～90.5，但R9低于45； 2018年Liang等[14]制備出紫外芯片激發(fā)的Sr3Al2-xSixO5-xNxCl2(x=0～0.4)與CaAlSiN3∶Eu2+組合完成封裝，發(fā)現(xiàn)可獲得較高的顯色指數(shù)(Ra=92), 同時(shí)色溫CCT為3 476 K。目前，對CaAlSiN3熒光粉的研究主要集中在實(shí)驗(yàn)方面，對其發(fā)光機(jī)理研究(如微觀電子結(jié)構(gòu)分析)仍較為缺乏[15-17]。采用結(jié)合理論設(shè)計(jì)與分析CaAlSiN3熒光粉的發(fā)光性質(zhì)、物理化學(xué)穩(wěn)定性等現(xiàn)象，對設(shè)計(jì)更加優(yōu)異的熒光粉具有特別大的意義。