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作者：

丁浩

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摘要：

半导体照明技术具有高效节能,绿色环保等显著优势,已掀起照明和显示产业的一场革命.荧光转换型LED(pc-LED)是半导体照明器件的主要类型,其中荧光粉扮演关键角色,决定器件的光效,光谱结构及寿命等.荧光转换型LED技术正在向"非视觉照明"领域拓展,一场近红外光源设计及应用的新变革蓄势待发,亟需开发新型的近红外LED荧光粉.本文以硼酸盐和硅酸盐作为基质材料,过渡金属离子(Cr~(3+))和稀土离子Ln~(3+)(Ln=Yb,Nd)为掺杂离子,采用高温固相法制备了ScBO_3:Cr~(3+),YAl_3(BO_3)_4:Cr~(3+),Yb~(3+)/Nd~(3+),NaScSi_2O_6:Cr~(3+)多种新型的Cr~(3+)掺杂近红外荧光粉,并对其晶相结构,发光性能以及在近红外pc-LED器件中的应用进行了研究和探索.ScBO_3:Cr~(3+)荧光粉具有400~530 nm的宽吸收带,与蓝光LED芯片的特征发射相匹配.此外,Cr~(3+)离子在ScBO_3中占据了晶体场强度较低的Sc~(3+)位,因此,在450 nm激发下,ScBO_3:Cr~(3+)荧光粉发射中心波长在800 nm的宽带近红外光,最佳Cr~(3+)离子掺杂浓度为2 mol%.将ScBO_3:Cr~(3+)荧光粉与蓝光LED芯片相结合,构建了近红外pc-LED器件,其近红外输出功率最大为24 mW,相应能量转换效率为8%.YAl_3(BO_3)_4:Cr~(3+),Yb~(3+)/Nd~(3+)系列荧光粉在蓝光和红光波段有较强的宽吸收带,并可以产生近红外发射,Yb~(3+)离子特征发射的主峰位于980 nm,Nd~(3+)离子特征发射的主峰位于880 nm,掺杂Yb~(3+)/Nd~(3+)可以拓宽近红外发射的波长范围.离子掺杂并不会改变基质的结构,Cr~(3+)离子替代YAl_3(BO_3)_4晶体中位于八面体场中心的Al~(3+)离子,Yb~(3+)/Nd~(3+)进入离子半径相近的Y~(3+)位.由它们荧光光谱和荧光寿命的变化规律可以发现Cr~(3+)和Yb~(3+)/Nd~(3+)间存在有效的能量传递.测量并分析了YAl_3(BO_3)_4:Cr~(3+),Yb~(3+)/Nd~(3+)系列荧光粉的变温光谱,荧光粉表现出优异的热稳定性能.NaScSi_2O_6:Cr~(3+)荧光粉能被近紫外光,蓝光和红光有效激发,并发射峰值波长位于840 nm的宽带近红外光,光谱的半高宽为140 nm.分析了NaScSi_2O_6:Cr~(3+)荧光粉的结构与Cr~(3+)离子的最佳掺杂浓度,通过变温光谱和热激活能分析可知NaScSi_2O_6:Cr~(3+)荧光粉比ScBO_3:Cr~(3+)具有更好的热稳定性.最后将NaScSi_2O_6:Cr~(3+)荧光粉与YAl_3(BO_3)_4:Cr~(3+),Yb~(3+)均匀混合,制作了宽带近红外pc-LED,获得了680~1050 nm的宽带近红外光.当输入电流为100 mA时,近红外输出功率为26 mW,能量转换效率为8.6±0.3%.结果表明,上述三种荧光粉在宽带近红外pc-LED中具有巨大的应用潜力.

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