安徽工业大学 光信息科学与技术专业本科毕业设计(论文)
第三章 Ce:YAG荧光晶体的光电学性能研究
3.1 Ce:YAG 荧光晶体的XRD衍射图谱
图3.1是Ce:YAG晶体XRD衍射样品的X射线衍射谱图，其Ce离子的掺杂浓度为1.0%。从图中可以看出，样品的X射线衍射峰强度较大，主要的衍射峰与标准卡（JCPDS No. 33-0040）的图谱相吻合，说明掺杂后晶体的结构与纯YAG晶体的结构相同，Ce离子的掺入不会影响YAG晶体的基本结构
图3.1
3.2 Ce:YAG晶体的吸收光谱
图3.2为室温下测得的Ce:YAG晶体的吸收光谱，所测晶体样品厚度为1mm。从图中可以看到在200-500nm范围内有3个明显的吸收峰，分别位于223nm，340nm，460nm处。这些吸收峰均对应于Ce3+离子从4f基态到5d激发态的能级之间的跃迁，由于5d能级分裂成5个子能级，340nm、460nm处的吸收分别对应于2F5/2子能级到5d较低两个子能级的跃迁吸收，而223nm处的吸收则对应于2F5/2到5d能级较高的3各子能级间的跃迁吸收 [15-16]。最强的吸收峰中心位于460nm处，这与蓝光芯片的发光中心相匹配，也就说明Ce:YAG单晶荧光材料能够有效的吸收GaN蓝光LE芯片发射的蓝光。
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1.0Ce:YAG0.8-1 Absorption Coefficient(/cm)0.60.40.20.0200300400500600700800Wavelength/(nm)
图3.2 Ce:YAG晶体的吸收光谱
Fig. 3.2 Absorption spectrum of Ce:YAG Single crystal
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3.3 Ce:YAG晶体的荧光光谱
图3.3所示的是室温下Ce:YAG晶体的荧光光谱。由于Ce:YAG单晶荧光材料对460nm的蓝光有强烈的吸收，所以我们以波长为460nm的单色光为激发光源测试了Ce:YAG单晶荧光材料的发射光谱（图3.3（b））以及相对应的激发光谱（图3.3（a））。另外，我们还以波长为340nm的单色光为激发光源，测试了其对应的发射光谱如图3.4(c)。 从图3.3中可以观察到，发射光谱(b、c)是一个发光中心位于528nm处的宽峰发射谱，属于黄绿光区，主要对应于Ce3+离子的5d→4f电子跃迁所发射的光，属于Ce3+离子的特征发射。以528nm为监测波长测试了Ce:YAG单晶荧光材料的激发光谱(a)。从激发图谱上可以看到，激发光谱有两个明显的宽激发峰，中心分别位于340nm和461nm处，是Ce3+离子4f能级到5d能级电子跃迁产生的吸收，它们分别对应于Ce3+离子的2F5/2→5d和2F7/2→5d的跃迁[17]。 由于最强激发峰和最强发射峰均与最低5d态能级相关，而激发态5d电子的径向波函数可以很好的扩展到5s25p6闭壳层之外，其能级受外场的影响较大，使5d态不再是分立的能级，而成为能带，从这个能带到4f能级的跃迁也就成为带谱，因此，Ce3+激发和发射光谱均表现为宽峰[18]。另一方面由于Ce3+离子的4f组态的2F5/2和2F7/2基态能级间的间距约为2000cm-1，因此由 Ce3+离子最低的5d能级向4f基态能级的荧光发射实际上由两个相隔约50nm的发光峰组成，因为Ce3+离子同 YAG晶格间具有强的电声子耦合导致两个发光峰部分重叠，所以从发射光谱上观察到的Ce3+:YAG晶体的发光谱呈现出较宽的发射带[19]。
图3.3 Ce:YAG晶体的荧光光谱
Fig.3.3 Fluorescence spectra of Ce:YAG crystal
3.4 Ce:YAG晶片结构白光LED的光色电性能
我们制备了以Ce:YAG晶片与GaN蓝光芯片组合而成的白光LED，并对白光LED的光色电性能进行了测试，实验中分别取厚度为0.6mm、1.0mm、2.0mm（以T0.6、T1.0、T2.0表示）的晶片进行测试，并考察了不同的驱动电流对光色性能的影响，实验结果如图3.4所示。从图中可以看到，在相同的工作电流下，随着晶片厚度的增加，其显色指数明显降低。与之相反的是，白光LED的发光效率却随着样品厚度的增加而增加，T2.0样品的发光效率远大于T1.0和T0.6样品。此外，随着驱
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动电流的增加，白光LED的发光效率显著降低，而其显色指数却略有增加，电流的改变对发光效率的影响较大，而对显色指数的影响较小。
图3.4 Ce:YAG晶片制备的白光LED的显色指数和发光效率
Fig. 3.4 CRI and luminous efficiency of W-LEDs with Ce:YAG crystal chips
图3.5是不同厚度Ce:YAG晶片结构白光LED在不同驱动电流下的相对色温。从图中可以看出，在相同的驱动电流下，随着晶片厚度的增加，白光LED的相对色温显著降低；而对于同一厚度的晶片样品，随着驱动电流的增加，白光LED的相对色温少有升高或不变。其变化趋势与白光LED显色指数的变化趋势相似。
图3.5 Ce:YAG晶片制备的白光LED的相对色温 Fig. 3.5 Tc of W-LEDs with Ce:YAG crystal chips
图3.6是在同一驱动电流（I=350mA）下测试的不同厚度晶片样品的电致发光光谱。从图中可以观察到，随着晶片厚度的增加，剩余的蓝光显著减少，这也使得白光的色坐标向黄光区偏移，由T0.6 的(0.3133,0.3741)逐渐偏移到T1.0 (0.3506,0.4437)、T2.0(0.4007,0.5300)，色温随之显著降低。
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图3.6 Ce:YAG晶片结构白光LED的电致发光光谱（I=350mA）
Fig. 3.6 Electroluminescence of W-LED with Ce:YAG single crystal chips
(I=350mA)
对于同一根晶体而言，其内部Ce3+离子发光中心的浓度是比较均匀的，晶片中的发光中心浓度也是相同的。晶片越薄其所含有的Ce3+离子发光中心就越少，相应的吸收的蓝光也少，这样便有较多的剩余蓝光与晶片发射的黄光混合生成白光，如此使得两种光的混合比例较为适中，白光的显色指数高；但是由于吸收的蓝光少，发射出的黄光也相应较少，发光效率也就比厚度大的晶片低；反之，晶片越厚，Ce3+离子含量越多，对蓝光的吸收也随着增加，发射的黄光增多，蓝光与黄光的配比失衡，造成显色指数和相关色温降低。这也可以从图3.6 Ce:YAG晶片结构白光LED的电致发光光谱中观察出来。
表3.1所示的是蓝光芯片和T0.6Ce:YAG晶片白光LED的光电性能参数。从中可以看出随着电流增加，其发光效率明显降低，但是黄光的发光效率远高于蓝光芯片的发光效率，黄光光通量的增加量远大于蓝光光通量的减少量。对于同一只LED，随着电流的增加，其蓝光LED的发光效率也显著降低，白光LED的发光效率也随之降低；而对于不同厚度晶片的白光LED，随着厚度的增加，蓝光的吸收也增加，发射出的黄光的光通量增加远大于蓝光光通量的减少量，因此，晶片厚度越大，Ce3+含量越高，其发光效率也就越高。
表3.1 蓝光LED和Ce:YAG晶片结构白光LED的光色电性能 Tab. 3.1 Light, color and electrical property of bule LED and W-LED used
Ce:YAG crystal chips
芯片 蓝光LED 蓝光LED 蓝光LED 白光LED
工作电流（I/mA）
50 250 350 50
光通量（Φ/lm）
1.6750 6.4083 8.4469 76.101
发光效率(lm/W)
11.94 7.99 7.26 54.71
从Ce:YAG晶体的荧光光谱和电致发光光谱可以看出，发光光谱在红光区域覆盖面很少，这使得发射的白光缺少红色成分，因此显色指数不够理想，而且显色指数越高，对应的色温也越高。为了改善这种情况，增加白光中的红光成分，我们探索了在Ce:YAG晶体中双掺杂稀土离子，如Pr3+，Sm3+，Eu3+，Tb3+等在红光区域都有丰富的发射峰[20-21]期望通过稀土离子丰富的红光发射来增加白光中的红光成分，借此提高显色性能，降低色温。
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