單一基質白光LED用熒光粉的研究進展

引言

1962年，Holonyak等利用GaAsP制備出第一支發紅光的LED，經過30多年的發展，LED的發光效率有了很大的提高，發射波長范圍擴大到綠、黃和藍光區。1993年Nakamura.S等率先在藍色氮化鎵(GaN)LED技術上取得突破，于1996年將發射黃光的Y3Al5O12∶Ce3+(YAG∶Ce3+)作為熒光粉，涂在發射藍光的GaN 二極管上，成功制備出白光LED。白光LED一經出現就受到了廣泛關注，作為光源的照明具有環保、節能、高效、壽命長、易維護等特點，被稱為將超越白熾燈、熒光燈和高壓氣體放電燈(High　intensity　discharge，HID)的第四代照明光源，是追求低碳經濟的當今社會的首選[1，2]。

目前，白光LED的實現主要是采用一個LED芯片和熒光粉組合，通過熒光粉將芯片發出的短波長的光，部分或全部地轉換成可見光，最后復合成白光。其重心是光色轉換用熒光粉的研究、開發與生產。當前研究最多和最成熟的是藍色LED/黃色熒光粉系統，此系統采用的熒光粉為Y3Al5-O12∶Ce3+和基于Y3Al5O12∶Ce3+進行摻雜的熒光粉。但是此熒光粉的發光效率較低;另外，在高的電流下，藍光光譜的電光強度要比黃光增加得快，隨著電流的改變就會導致光譜的不匹配，從而易導致色溫的改變和低的顯色指數。而紫外和近紫外系統則不存在以上情況，由于紫外轉換型熒光粉系統的電轉換效率較低，因此研究近紫外轉換型熒光粉具有十分重要的意義[3]。

1　單一基質白光LED用熒光粉的特點

近紫外轉換型熒光粉可分為單一基質白光熒光粉和多種基質白光熒光粉。其中單一基質白光熒光粉在近紫外光的激發下能直接發射白光，與其它體系熒光粉相比，有其顯著的特點：(1)由于視覺對近紫外光的不敏感性，這類白光LED的顏色由熒光粉決定，因此顏色穩定，色彩還原性較高;(2)由于是單一基質化合物，可減少能量損耗，有利于提高發光效率;(3)可避免由于多種基質化合物間相互作用造成的顏色失調，有利于改善顯色性;(4)成本降低。因此單一基質白光熒光粉最近幾年越來越受到人們的關注，成為新一代白光LED照明的研究熱點，有關這一體系材料的研究也逐漸深入。

2　單一基質白光LED用熒光粉的研究現狀

近年來，有關單一基質白光熒光粉的研究，已有大量文獻報道，涉及的基質化合物范圍很寬，包括硅酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽、釩酸鹽、鋁酸鹽等。激活離子主要有Eu2+及Ce3+，因為它們的電子構型中d電子裸露在外層，易受基質晶格環境和化學鍵性質的影響，f→d躍遷吸收帶及d→f躍遷發射帶容易寬化。除Eu2+和Ce3+外，Mn2+、Eu3+、Dy3+、Tb3+等也常被作為單一基質白光熒光體系中的激活離子。其中最常見的是兩種離子共摻雜的單一基質白光熒光粉，如Eu2+-Mn2+、Ce3+ -Mn2+等。

2.1　硅酸鹽熒光粉

硅酸鹽體系具有一些突出的特性，如耐紫外光子長期轟擊，性能穩定;光轉化效率高，結晶性能及透光性能優異;具有寬譜激發帶，發射光譜連續可調等。因此，硅酸鹽熒光粉被認為是一種很有前途的熒光粉材料[4]。

Kim等[5-9]合成了一系列的M3MgSi2O8∶Eu2+，Mn2+(M=Ba，Sr，Ca)熒光粉。該體系中M 有3種格位，12配位的M(Ⅰ)和10配位的M(Ⅱ，Ⅲ)。Eu2+取代M(Ⅰ)位時發射藍光，取代M(Ⅱ，Ⅲ)位時發射綠光，Mn2+取代M(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ)位時發射紅光。M=Ba時在375nm 近紫外LED激發下，熒光粉同時發出440nm、505nm 和620nm 的藍、綠、紅3種光色，與紫外LED 匹配復合成白光，色坐標為(0.38，0.35)。圖1為Ba3MgSi2O8∶Eu2+，Mn2+激發光譜與發射光譜圖。當M=Sr時，在400nm處激發譜增寬，發射紅移。通過調整Eu2+和Mn2+濃度可以改變發射光的色溫和顯色指數，最佳可以達到色溫為3600K，顯色指數為95，而且色標對電流穩定，遠遠優于YAG∶Ce3+-InGaN 體系的發光。當M=Ca時，發射峰繼續紅移，這主要是由于離子半徑變小，使得晶體場發生了變化，致使發射峰紅移。摻入微量的Al離子會使熒光粉藍光和綠光的相對強度發生明顯變化，而紅光的強度基本不變，因此熒光體的色坐標位置可以通過摻入不同數量的鋁離子來調控[10]。

光發射的InGaN管芯制成了白光LED，正向驅動電流為20mA時，色溫為5664K;色坐標為(0.33，0.34)，顯色指數為85，光強達8100cd/m2。