稀土摻雜高硅氧玻璃制備關(guān)鍵技術(shù)及其對發(fā)光性能的影響研究.pdf

1、目前，功率型白光 LED生產(chǎn)和推廣中存在常用 YAG黃光熒光粉熱穩(wěn)定性差和藍(lán)光 LED芯片+黃光熒光粉封裝結(jié)構(gòu)的專利壁壘等主要問題，是其進(jìn)一步大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙。稀土摻雜高硅氧玻璃因其熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)越、熒光壽命長等優(yōu)點(diǎn)，且倒裝紫外光LED芯片+高硅氧玻璃的封裝形式可突破專利封鎖，因而受到了廣泛關(guān)注和研究。但目前稀土摻雜高硅氧玻璃的折射率、相對密度、色品坐標(biāo)、量子效率、發(fā)光強(qiáng)度等發(fā)光相關(guān)性能參數(shù)還需進(jìn)一步提升，才能滿足白光LED

2、的實(shí)際應(yīng)用要求。
　　稀土摻雜高硅氧玻璃的制備工藝分為納米微孔玻璃制備、稀土離子吸附、燒結(jié)等三個主要步驟，其中納米微孔玻璃制備主要影響折射率、量子效率、發(fā)光強(qiáng)度，稀土離子吸附影響色品坐標(biāo)、量子效率、發(fā)光強(qiáng)度，燒結(jié)影響相對密度、量子效率，各制備參數(shù)是影響發(fā)光性能參數(shù)的關(guān)鍵。國內(nèi)外研究者將研究重點(diǎn)放在了可直接、顯著影響發(fā)光強(qiáng)度、量子效率等熒光玻璃發(fā)光特性的制備關(guān)鍵參數(shù)上，并取得了很大的進(jìn)展；但相對而言，在納米微孔玻璃制備參數(shù)對發(fā)光強(qiáng)度

3、的影響、稀土離子吸附參數(shù)對色品坐標(biāo)的影響、燒結(jié)參數(shù)對相對密度的影響、燒結(jié)參數(shù)對量子效率(熒光壽命)的影響等對提高熒光玻璃發(fā)光特性參數(shù)不那么顯著的研究和相應(yīng)優(yōu)化上，卻還顯得比較薄弱，很少有研究成果報道。
　　針對上述問題，論文主要完成了以下幾個方面的研究工作：
　　①為提高發(fā)光強(qiáng)度，根據(jù)納米微孔玻璃表面物理化學(xué)性質(zhì)和溶液中稀土離子特性，定性分析了納米微孔玻璃表面羥基對溶液中稀土離子的氫鍵吸附機(jī)理，得到了在未發(fā)生濃度淬滅的前提下

4、，納米微孔玻璃的孔容積越大，吸附量越大，高硅氧熒光玻璃發(fā)光強(qiáng)度也越高的定性結(jié)論；在微孔玻璃成分接近于石英玻璃的前提下，優(yōu)化了熱分相溫度、熱分相時間、酸液濃度、是否超聲波清洗、是否擴(kuò)孔處理等制備關(guān)鍵參數(shù)，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了孔容積和發(fā)光強(qiáng)度的關(guān)系。
　?、谘芯坎⑻岢隽酸槍τ诎坠饣蚪坠獍l(fā)光色品坐標(biāo)要求優(yōu)化的吸附溶液中稀土離子的種類和濃度。根據(jù)對各可見光發(fā)射的稀土離子的能級躍遷和相應(yīng)發(fā)光顏色的分析，選取Eu2+/Dy3+和Ce3+/Dy

5、3+作為離子摻雜組合。通過比較單摻和共摻高硅氧熒光玻璃的發(fā)射光譜，確定了高硅氧熒光玻璃中發(fā)生了Eu2+→Dy3+和Ce3+→Dy3+能量傳遞過程。通過改變?nèi)芤褐?Dy3+的濃度，改變發(fā)射光譜中藍(lán)光和黃光的比例；根據(jù)相應(yīng)高硅氧熒光玻璃的發(fā)射光譜和色品坐標(biāo)，對吸附溶液中稀土離子的種類和濃度等主要吸附參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明，Eu2+/Dy3+組合不能得到近白光發(fā)射，而Ce3+/Dy3+可以得到近白光發(fā)射；溶液中Ce3+的濃度應(yīng)選為0.0

6、2mol/L，Dy3+的濃度應(yīng)選為0.10mol/L。
　?、凵钊胩接憻Y(jié)參數(shù)對高硅氧玻璃相對密度的影響，得到了針對相對密度優(yōu)化的最優(yōu)燒結(jié)參數(shù)的取值。在粘性燒結(jié)的弗蘭克爾原則的基礎(chǔ)上，通過分析燒結(jié)過程中納米微孔玻璃結(jié)構(gòu)特征的演化，以聯(lián)通微孔是否封閉為條件將納米微孔玻璃燒結(jié)過程分為燒結(jié)前期和燒結(jié)后期，分別采用聯(lián)通圓柱和封閉球殼燒結(jié)模型分析。引入克羅內(nèi)克數(shù)學(xué)符號，綜合表示非等溫和等溫?zé)Y(jié)過程，由此建立了納米微孔玻璃燒結(jié)動力學(xué)模型，討論

7、了燒結(jié)溫度、保溫時間、升溫速率等主要燒結(jié)參數(shù)對相對密度的影響，揭示了它們的內(nèi)在聯(lián)系，并進(jìn)一步針對相對密度，提出了燒結(jié)溫度、保溫時間、升溫速率的燒結(jié)參數(shù)優(yōu)先考慮順序原則。
　?、苌钊胙芯繜Y(jié)參數(shù)對稀土離子熒光壽命影響，提出最優(yōu)燒結(jié)參數(shù)的優(yōu)化原則和結(jié)果?；诜磻?yīng)動力學(xué)理論，在假設(shè)反應(yīng)機(jī)理函數(shù)形式的前提下，推導(dǎo)了非等溫和等溫?zé)Y(jié)過程羥基殘留分?jǐn)?shù)的表達(dá)式，根據(jù)常見燒結(jié)曲線得到了燒結(jié)結(jié)束后羥基殘留分?jǐn)?shù)的表達(dá)式，結(jié)合Forster-Dexte

8、r模型，建立了稀土離子熒光壽命與燒結(jié)參數(shù)關(guān)系的理論模型，研究了燒結(jié)溫度、保溫時間、升溫速率對熒光壽命的影響。提出了燒結(jié)參數(shù)的選取原則：優(yōu)先考慮燒結(jié)溫度，然后考慮保溫時間，最后考慮升溫速率。以3Sm+摻雜高硅氧熒光玻璃為例，驗(yàn)證了反應(yīng)機(jī)理函數(shù)形式假設(shè)的正確性，得到了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中3Sm+熒光壽命的具體表達(dá)式，說明了針對熒光壽命優(yōu)化，燒結(jié)參數(shù)的選取；綜合考慮針對于相對密度和熒光壽命的優(yōu)化，最終得到在3Sm+摻雜高硅氧熒光玻璃中各燒結(jié)參數(shù)的最優(yōu)取