安徽工业大学 光信息科学与技术专业本科毕业设计(论文)
目录
摘要................................................................................................................................................... 1 ABSTRACT ...................................................................................................................................... 2 第一章 绪论 ..................................................................................................................................... 6
1.1 引言 ................................................................................................................................... 6 1.2 LED产业现状 .................................................................................................................. 6 1.3 白光LED的实现方法 ..................................................................................................... 7 1.4 荧光材料介绍 ................................................................................................................. 8
1.4.1荧光粉 .................................................................................................................... 8 1.4.2 陶瓷及玻璃荧光材料 ......................................................................................... 8 1.4.3 Ce:YAG 单晶荧光材料 ....................................................................................... 9
1.4.3.1 Ce:YAG晶体的结构和性能 ...................................................................... 9 1.4.3.2 Ce:YAG单晶荧光材料相对于荧光粉的优势 ...................................... 11
1.5本论文的研究目的、内容及意义 .................................................................................. 12
1.5.1本论文的研究目的及意义 .................................................................................. 12 1.5.2 研究内容 ........................................................................................................... 12
第二章 实验部分 ......................................................................................................................... 13
2.1 Ce:YAG及Gd,Ce:YAG晶体的生长 ................................................................................ 13
2.1.1 提拉法Czochralski（CZ）概述 .................................................................... 13 2.1.2 晶体的生长装置 ............................................................................................... 13 2.1.3 晶体生长原料的准备 ......................................................................................... 14
2.1.3.1 Ce:YAG晶体原料的准备 .................................................................. 14 2.1.3.2 Gd,Ce:YAG晶体原料的准备 ............................................................ 14
2.1.4 提拉法生长YAG晶体的生长流程 ............................................................. 14
2.2晶体测试样品制备 .......................................................................................................... 16
2.2.1 XRD测试用样品 .................................................................................................. 16 2.2.2 光谱性能测试用样品 ......................................................................................... 16 2.2.3 白光LED光色参数测试用样品 ......................................................................... 16 2.3 样品测试分析方法 ......................................................................................................... 16
2.3.1 X射线衍射法 ...................................................................................................... 16 2.3.2 晶体的吸收光谱法 ............................................................................................. 17 2.3.3 晶体的荧光光谱法 ............................................................................................. 17 2.3.4 白光LED光色电参数的测试 ............................................................................. 18
第三章 Ce:YAG荧光晶体的光电学性能研究 .............................................. 错误！未定义书签。
3.1 Ce:YAG 荧光晶体的XRD衍射图谱 ..................................................................... 19 3.2 Ce:YAG晶体的吸收光谱 ...................................................................................... 19 3.3 Ce:YAG晶体的荧光光谱 .................................................................................... 21 第四章 Gd,Ce:YAG晶体光学性能的研究 .................................................................................... 24
4.1 Gd,Ce:YAG晶体的XRD图谱 .................................................................................. 24
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4.2 Gd,Ce:YAG晶体的吸收光谱 .................................................................................. 24 4.3 Gd,Ce:YAG晶体的荧光光谱 .................................................................................. 25 4.4 Gd,Ce:YAG晶片结构白光LED的光色电性能 ...................................................... 26 4.5 Ce:YAG晶体与稀土离子共掺杂Ce:YAG晶体光色电性能的对比 ........................ 27 总结................................................................................................................. 错误！未定义书签。 参考文献 ......................................................................................................................................... 30 致谢................................................................................................................. 错误！未定义书签。 附录1英文原文 ............................................................................................................................. 33 附录2英文译文 ............................................................................................................................. 41
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新型半导体白光LED照明用荧光材料的制备
及性能研究
第一章 绪论
1.1 引言
随着白光LED 的实现, 人们看到了LED 应用于照明的希望。LED 以其效率高、功耗小、寿命长、固态节能以及绿色环保等显著优点, 真正点燃了\绿色照明的光辉\。半导体照明作为新型高效的固体光源, 具有重大的发展潜力和巨大的社会、经济意义, 预计将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的新一代照明光源, 目前已得到业内人士的普遍关注[1-2]。
目前，获得白光LED 最普遍的方法还是蓝光芯片加黄色荧光粉法。这种方法采用蓝色LED芯片激发黄色发射的YAG：Ce3＋荧光粉而得到白光，由于缺少红色光谱成分，光源的色彩还原性差，显色指数低，发光效率低。其中荧光粉是LED实现白光照明的关键材料，面对越来越广阔的市场需求和研究开发热潮，改善荧光材料的性能成了一项紧迫而艰巨的任务。目前针对白光LED 用荧光粉的研究已经取得了一定的进展，其种类繁多，各有其特色及优缺点，总体而言，还不能达到当今LED 技术对荧光粉所期待的要求。荧光材料正朝着高稳定性、高发光效率、高色纯度等方向发展，以满足白光LED 照明发展的需要。
1.2 LED产业现状
LED作为一种新型的技术和光源，具有绿色环保，不含汞、铅等重金属；抗震性强，耐用；能源节省等等多种优点。因此，它被广泛认可及应用。完整的LED产业链包括上游外延片、芯片的制作，中游的封装及下游的应用，此产业结构庞大，涉及应用领域广泛[3]。
我国政府对发展蓝光、白光LED 高度重视。“九五”和“十五”均列入科技“863”，“973”计划，给予大笔经费资助。其中由北京大学、中科院物理所和北京有色院联合承担“十五”白光LED“863”项目。国家科技部拟在“十五”期间，联合有关部门推出“半导体照明工程”，投巨资支持启动，己于2003 年6月成立协调领导小组。我国白光LED发展主要受其蓝芯片和紫外芯片的制约，相对差距很大，其外务必引进昂贵外延设备与技术。我国台湾In Ga N蓝光芯片
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开发厂商很多现己崛起，成为世界蓝芯片主要供应商，占世界总产量的23%[4]；无论质和量都在大陆之上，但质量逊于日美。
从长远来看，随着全球节能减排的盛行，LED产业也会更加升温。而我国LED经过30多年的发展 ,虽然先后实现了自己生产芯片，器件和外延片，但自产的芯片，和外延片有限，其产品以中低档为主，产业化规模较小，只能满足国内分的20%-30%，大部分高性能LED和功率LED产品要靠进口。随着政府的大力推广和全球产业梯次转移，未来我国LED将成为市场上最具诱惑力的蛋糕，2011年整个大陆LED产业值已超过1500亿美元。LED产业链中，LED外延品和LED晶片大概占行业70%的利润，LED的分装大概占10%，LED应用大概占10%-20%，2015年产业规模将达到5000亿美元以上。我国进入LED产业的企业将与日俱增，产业市场竞争将更加激烈。
1.3 白光LED的实现方法
( 1) 三基色LED 混色法 发射红、绿、蓝波长的三基色芯片组合封装在一起, 通过空间混色的原理, 按照适当的比例进行匹配, 使得3 种颜色的光混合成白光, 采用这种方法具有效率高和使用灵活的特点。由于发光全部来自发光二极管, 不需要进行光谱转换, 因此, 其能量损失最小, 效率最高。另外它是靠调节3 种颜色发光二极管的光强来实现白色发光的,因此, 在调节发光颜色上具有相对的灵活性。但是这种方法也有自身的弱点, 它的安装结构比较复杂, 各色LED 的驱动电压、发光效率、配光特性不同, 需通过电流调节红、绿、蓝三基色的强度, 电路实现上较复杂。同时, 由于不同颜色的LED 管随时间推移其老化特性不同[导致光衰的差异, 因此 预先调整好的白色发光由于不同颜色的光衰差异造成使用过程中的变色, 使混合的白光稳定性较差, 存在温度特性的差异。发光全部来自发光二极管, 相对成本也比较高。
( 2) 紫外转换的方法
以GaN 基紫光LED 为基础光源, 用LED 发出的紫外光激发荧光材料, 通过荧光粉实现波长转换发出可见光。最后用于照明的光全部来自荧光材料, 且要求荧光材料的激发光谱与紫光发光二极管的发射光谱相匹配, 这样可以获得较高的光转换效率, 荧光材料应为多种不同颜色的荧光材料混合而成。采用越多颜色的荧光材料进行混合, 获得的白光的显色性越好, 但是同时也增加了系统的复杂性。通常采用红、绿、蓝三种颜色的三基色荧光材料进行混合。即紫外- > 红+ 绿+蓝= 白光, 称做\这种方法制备的白光LED 具有成本低、显色性好的优势, 但是它也存在不足, 由于是采用紫外光源作为激发光源, 有可能产生紫外污染. ( 3) 蓝光芯片加黄色荧光材料的方法
利用波长为460～470nm 的Ga N 基蓝光发光二极管的发光作为基础光源, 利用Ga N 基蓝光LED所发出的460～470nm 的蓝光一部分用来激发荧光粉, 使荧光粉发出黄绿色光, 另一部分透过荧光粉发射出来, 荧光粉发出的黄绿色光与Ga N 基蓝光发光二极管发光的透射部分混合形成白光, 即白光=蓝+ 黄的机制 。这种方法存在两个关键部分: 一个是Ga N 基蓝光发光二极管; 一个是用作
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光转换的荧光材料。Ga N基蓝光发光二极管的选择不仅要考虑发光二极管本身的特性, 还应兼顾荧光材料的选择。荧光材料的选择主要有两个必须满足的条件, 一个是荧光材料的激发光谱必须与所选择的蓝光发光二极管的发射光谱相匹配, 目前国际上通常采用波长为460~470nm的Ga N 基蓝光发光二极管作为基础光源,这样就要求荧光材料的激发光谱在460~470nm, 这样可以确保获得更高的光转换效率; 另一个是荧光材料的发射光谱, 荧光材料的发射光谱与蓝光发光二极管的发射光谱能够匹配成白光, 人们选用了YAG: Ce3+ ( Y3Al5O12: Ce3+)钇铝石榴石 的简称作为光转换材料。由于这种方法采用单颗芯片与单种荧光粉, 主要采用常用的YAG: Ce3+ 荧光粉转换效率高, 操作上较易实现, 且没有紫外成分, 不会造成紫外辐射污染, 是目前制作白光LED 的主要方向[5]。其不足之处在于显色性更差。
1.4 荧光材料介绍 1.4.1荧光粉
自20世纪60年代稀土氧化物实现高纯化以来, 稀土荧光粉的研究相继出现重大技术突破, 电视荧光粉、灯用荧光粉、医用荧光粉等的开发、生产与应用取得了惊人的发展。由于产品附加值高、效益显著, 已成为稀土高技术开发的首要领域。虽然稀土荧光粉的用量不到稀土消费总量的4%, 但产值却占稀土应用市场总销售额的41% , 是稀土行业最热门的产业。稀土掺杂YAG荧光粉是荧光粉中重要的一种广泛应用于白光LED的生产制造,YAG 作为荧光粉的基质材料具有透明度高、化学稳定性好、导热性好、耐高强度辐照和电子轰击等优点 。因此, 近年来稀土掺杂的YAG荧光粉得到了泛的研究。稀土掺杂YAG荧光材料的研究是从固体激光晶体的研究开始的, 研究最多、最成熟的是N d: YAG激光晶体。随着各种荧光材料的发展, 稀土掺杂YAG 荧光粉也得到了长足的发展, 分别出现了Eu:YAG (红)、Ce: YAG (黄)、Tb: YAG (绿)等各种颜色的荧光粉, 其性能也得到了很大的提高, 已在照明、阴离子射线显示( CRT )、白光LED 等方面得到了广泛应用, 在等离子平面显示( PDP)、真空荧光显示(VFD )、场发射显示( FED )等应用方面也在进行相关的研究[6] 。随着科技的进步和应用范围的扩展, 对荧光粉的性能提出了更高的要求, 例如: 高分辨率要求具有较细的球形颗粒, 传统固相反应法制备的荧光粉越来越不能满足要求, 近年来湿化学法制备高性能荧光粉得到了广泛的研究, 同时荧光粉的发展也开始进入了纳米化, 很多学者 都采用湿化学方法制备出了纳米荧光粉。
1.4.2 陶瓷及玻璃荧光材料
微晶玻璃, 又叫玻璃陶瓷( glass- ceramic) [7], 是通过玻璃的受控结晶而制成,其性能既决定于组成相的固有属性, 又决定于形成的微观组织。玻璃陶瓷的微观结构尤其对力学性能、光学性能等起重要影响。通过改变玻璃陶瓷的微观结构可以获得用于制备白光LED的荧光材料。相对于荧光粉来说, 发光玻璃是一类更重要的荧光材料, 因为它具有很多荧光粉无法实现的优点, 比如易于形
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