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徐慢教授团队在wLED性能提升方面取得重要进展

【 发布日期:2020-07-07 | 点击:


(通讯员:黄珂)近年来,镧系元素(Ln)掺杂的无机荧光粉广泛应用在白光发光二极管(white light emitting diode,wLED)器件、显示技术、生物成像、太阳能电池和测温等领域,引起了研究者的极大关注。在各种镧系元素中,铕([Xe]4f75d06s2)被视为最广泛的激活剂,Eu2+和Eu3+都可作为发光中心,在现代固态照明等领域起到了关键作用。Eu3+掺杂荧光粉的发光表现为一系列位于红色光谱区的线状发射,然而由于吸收效率低,导致微弱的4f能级激发,大大限制了其应用。Eu2+的发射波长受到晶体环境的影响较明显,可以调整不同的晶体环境来调控Eu2+掺杂荧光粉的激发带和发射带波长。近日,徐慢教授团队系统地研究了在不同气氛下制备的BaMgSiO4:Eu (BMSO:Eu)荧光粉的光学性质,其红光发射和长余辉效应对改善wLED性能具有积极的作用。

图1样品的PLE和PL光谱:(a)BMSO:Eu2+(含高斯分解曲线),(b) BMSO:Eu

如图1所示,徐慢教授团队分析了不同气氛下制备的BMSO:Eu的PLE和PL光谱。还原气氛下制备的BMSO:Eu2+荧光粉在紫外区有一个宽激发带,而发射光谱位于360~650 nm范围内,在399和503 nm处有2个发射峰。作为一种绿色成分,这种亮绿色荧光粉在wLED中具有潜在的应用价值。当在空气条件下制备Eu掺杂荧光粉时,会出现自还原现象,部分Eu3+被还原成Eu2+,因此光致激发和发射图谱应同时包括Eu3+和Eu2+光谱。在监测λex=305 nm时,可以观察到Eu3+的数个尖锐的发射峰,最大的发射峰位于612 nm,对应于5D07F2电偶极跃迁,因此判断Eu3+占据无反演对称中心的Ba2+位点,反过来也证明了Eu3+可以作为一种有效的结构探测离子,同时提供了wLED所需的红色成分。

图2自还原过程示意图

由阳离子空位(VBa′′)构成的缺陷必须由氧离子包围(例如6或9配位)(图2)。由于静电原因,带负电的缺陷将位于Eu3+阳离子附近,因为它们被认为是带正电的缺陷。因此,VBa′′将诱导位于BMSO主晶格价带和导带之间的局部能级。这些供体能级建立在指向空位的O轨道(长对)上,因此预计位于价带的正上方。整个自还原过程如图2所示。另外,BMSO的晶体结构在退火过程中也起到防止Eu2+被氧化的作用。因此,在空气条件下合成的BMSO:Eu中同时存在Eu2+和Eu3+

图3 BMSO:Eu2+BMSO:Eu:(a)磷光衰减曲线,(b)ESR图谱

通常,长余辉荧光粉的余辉性能由陷阱和发光中心两个因素决定。在紫外光的激发下,所有样品的衰减分为快速衰减和缓慢衰减两个部分。BMSO:Eu2+余辉时间可达1.2小时,是BMSO:Eu余辉时间(5分钟)的15倍。长余辉发光补偿了发光器件的黑暗周期,为解决wLED的频闪问题提供了理想的解决方案。可以认为缺陷是影响荧光粉长余辉的一个重要因素,在还原气氛下制备的BMSO:Eu2+,由于缺乏充足的氧气,将会比BMSO:Eu形成更多的氧空位。ESR信号进一步证明了样品中缺陷是氧空位。

以上成果以“Structure, valence change, and optical properties of BaMgSiO4: Eu phosphor”为题发表在Journal of Luminescence上。论文的第一作者为材料科学与工程学院戴武斌教授,第二作者为材料科学与工程学院硕士研究生黄珂,通讯作者为材料科学与工程学院徐慢教授

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2020.117137