安徽工业大学 光信息科学与技术专业本科毕业设计(论文)
第四章 Gd,Ce:YAG晶体光学性能的研究
4.1 Gd,Ce:YAG晶体的XRD图谱
图4.1是Gd,,Ce:YAG晶体X射线衍射谱图，图中可以看到，样品的X射线衍射峰与标准卡（JCPDS No. 33-0040）相一致，说明Sm，Ce离子的共掺杂并没有影响到YAG的晶相结构。
图4.1 Gd,Ce:YAG晶体的XRD谱
Fig.4.1 XRD pattern of the Gd.Ce:YAG crystal sample
4.2 Gd,Ce:YAG晶体的吸收光谱
图4.2室温下Gd,Ce:YAG晶体在200nm-800nm范围内的吸收光谱，在图中200-550nm段存在4个吸收峰，它们同属于Ce3+离子4f→5d能级跃迁产生的吸收，与Ce:YAG晶体吸收有所不同的是在276nm处出现了一个吸收峰，出次吸收峰的原因可能是由于生长晶体过程中形成的F心造成的晶体的自吸收[22]，具体原因尚须后续工作中随晶体做不同后处理如退火，辐照等来进行分析。Ce3+离子460nm处的强吸收同样说明其作为白光LED用荧光材料，能够与蓝光LED很好的相匹配。
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图4.2 Gd,Ce:YAG晶体的吸收光谱
Fig. 4.2 Absorption spectrum of Gd,Ce:YAG Single crystal
4.3 Gd,Ce:YAG晶体的荧光光谱
图4.3是室温下所测得的Gd,Ce:YAG晶体的荧光光谱。其中发射光谱的激发波长为460nm，以发射光谱的主峰波长540nm作为激发光谱的监测波长。从图中可以看到，发射光谱是一个主峰位于540nm处的宽带发射峰，归属于Ce3+离子的5d→4f能级间的跃迁，属于Ce3+离子的特征发射。而激发光谱中的激发峰同样是归属于Ce3+离子的4f→5d能级跃迁的特征激发峰，从图中还可以发现，除了Ce3+离子的特征峰以外，并没有发现其他离子的特征荧光峰存在。
图4.3 Gd,Ce:YAG晶体的荧光光谱
Fig.4.3 Fluorescence spectra of Gd,Ce:YAG crystal
图4..4是经过归一化处理后的Ce:YAG和Gd,Ce:YAG晶体材料的激发和发射图谱。比较这两种晶体的荧光光谱图可以发现，Gd,Ce:YAG晶体的发射光谱相对于Ce:YAG晶体来说，发生了红移，发射峰中心从528nm红移到540nm，但是两者的激
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发光谱几乎完全相同。这主要是由于晶体中Gd3+离子取代Y3+离子格位后，并不形成发光中心，只是改变了Ce3+离子周围的晶体场。当Gd3+取代Y3+离子后，会使晶格扩大，这将进一步影响到Ce3+离子，使其最低5d能级变得更低，从而使得其发射光发生红移[23]。
图4.4 归一化处理后的Gd,Ce:YAG和Ce:YAG晶体的荧光光谱
Fig. 4.25 Normalized fluorescence spectrum of Gd,Ce:YAG and Ce:YAG
crystal
4.4 Gd,Ce:YAG晶片结构白光LED的光色电性能
Gd3+离子作为基质离子取代Y位，并不形成发光中心，我们取厚度0.6mm的晶片（以T0.6表示），测试了晶片与蓝光芯片组合的白光LED的光色电性能。结果如表4.4.1所示，
表4..4.1 Gd,Ce:YAG晶片结构白光LED的光色电性能
Tab. 4.4.1 Light, color and electrical property of W-LED used Gd,Ce:YAG crystal chips 工作电流I/mA 50 250 350
显色指数 CRI 61.2 60.5 60.8
色温 Tc/K 3661 3663 3660
发光效率 η/(lm/W) 53.39 41.29 36.72
色坐标 ( x, y ) (0.4347, 0.4982) (0.4252, 0.4707) (0.4238, 0.4659)
从表中可以看出，工作电流的变化对Gd,Ce:YAG晶体的T0.6样品LED的显色指数，相关色温，及色坐标影响很小，对发光效率有较大的影响。究其原因，主要在于，对于同一白光LED，其晶片中所含有Ce3+离子浓度是一定的，在不同工作电流下，吸收蓝光的效率相同，发出的白光中蓝光与黄光的比例也相同，所以显色指数，相关色温及色坐标近似相同。而电流的改变直接影响蓝光芯片的发光效率，进而影响了白光LED的发光效率。图4.4.2是T1.0白光LED的发光光谱，从图中可以看到，Gd3+离子的掺杂使得Ce3+离子的发光红移，使得其发光光谱在红光区域得到较大的扩展，增加了白光LED发射白光中的红光成分，能够在一定程度上弥补Ce3+
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离子发光缺乏红光的不足，提高显色性能。但是由于晶体中Ce3+离子浓度过高，使得大量的蓝光被吸收，蓝光黄光比例不适当，导致显色指数不理想。同时，发光的主峰中心577nm处，位于黄绿光波段，因此其相对色温很低。
图4.4.2 Gd,Ce:YAG晶片结构的白光LED的发光光谱
Fig. 4.4.2Electroluminescence of W-LED with Gd,Ce:YAG single crystal
chips (I=350mA)
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
上述章节主要讲述了2种不同晶体的光学性能及相应的白光LED的光色电性能，其中Gd与Ce的共掺杂的目的是为了弥补Ce3+离子发光中缺乏红光成分的不足，下面我们将这2种晶片结构的白光LED的光色电性能参数做一下比较，结果如表4.5所示（取晶片厚度为0.6mm，工作电流为350mA）。表4.5 不同晶片制备的白光LED的光色电参数的比较
Tab. 4.5Compare with light color and electrical property of W-LED used different crystal chips
晶体
数
CRI
Ce:YAG Gd,Ce:YAG
69.1 60.8 显色指
温
Tc/K 6228 3660 相关色
率
η(Lm/W)
36.65 36.72
(0.3133 0.3741)
(0.4238 0.4659)
从表中可以看出，Ce:YAG晶片结构白光LED的显色指数要稍高于Gd双掺杂的晶片结构白光LED。Gd,Ce:YAG晶片与Ce:YAG晶片的发光效率相同。Gd3+与Ce3+的共掺杂，使Ce3+离子的发光中心发生红移，整个发光峰在红光区域的覆盖面积得到较
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发光效色坐标 （x , y）
, ,
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大的扩展，这些都能够在一定程度上弥补Ce3+离子发光缺少红光成分的不足，有利于提高白光LED的显色指数。但是，实际实验结果显示，这些并没有能够有效提高显色指数。
以上现象主要由以下原因造成的：这2种晶体中Ce3+离子的掺杂浓度是相同的，并且总体掺杂浓度偏高，这就造成其对蓝光的吸收率过高，从而形成蓝光与黄光比例不均衡，导致显色指数偏低。其中，Ce:YAG晶体中Ce3+离子浓度稍有偏高，所以在Ce:YAG晶片结构的白光LED发光过程中，晶片对蓝光的吸收过多，剩余蓝光略有不足。在此基础上掺入Gd3+离子仅做为基质离掺杂取代Y3+格位，并不形成发光中心，所以其Ce3+离子浓度与Ce:YAG相同，发光效率也几乎相同。
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