Sr3SiO5∶Eu2+荧光粉的微波合成及性能研究

刘全生 郝新焱 许国锋 赵 丽 曹丹丹 王 瑞 张希艳 孙海鹰

(长春理工大学，光电功能材料教育部工程研究中心，长春 130022)

研究简报

Sr3SiO5∶Eu2+荧光粉的微波合成及性能研究

刘全生 郝新焱 许国锋 赵 丽 曹丹丹 王 瑞 张希艳＊孙海鹰

(长春理工大学，光电功能材料教育部工程研究中心，长春 130022)

Sr3SiO5∶Eu2+；发光材料；微波法；白光LED

0 引 言

白光LED是一种具有广阔前景的节能照明灯具，被誉为人类的第四代照明用灯具。白光LED实现主要有两种方案，其中在蓝光LED芯片上涂覆黄色荧光粉，蓝光芯片发出的蓝光与荧光粉发出的黄光复合而获得白光，受到人们的重点关注[1-5]。因此寻找性能优异的黄色发光粉，是实现白光LED的关键所在。目前成熟且已商用的黄色荧光粉是钇铝石榴石荧光粉，该荧光粉的优点是合成工艺简单、可被蓝光芯片有效激发实现白光；但该荧光粉还存在高温稳定性差、显色指数低、色温高等缺点[4-9]。因而寻求更加优异的黄色荧光粉依然是白光照明领域的主要研究方向，用于白光LED的硫化物[10-11]、硅酸盐[12-15]、氮化物[16-17]等基质的荧光粉也不断涌现，其中硅酸盐因其成本低廉，结构多样，是发光材料的一种优异基质，尤其受到人们重视。2004年韩国人Joung Kyu Park[18]提出用于白光 LED 的 Sr3SiO5∶Eu2+正硅酸盐黄色荧光粉，国内河北大学的李盼来等[19]于2007年首次研究该基质的发光性能，Sr3SiO5为四方相结构，具有良好的化学稳定性和热稳定性，发光峰位可以达到570 nm，利于实现暖白色白光输出，预示着该材料具有重要的应用前景，因此该材料引起人们的关注[20-21]。目前该材料的合成方法仅有高温固相法，采用该方法合成Sr3SiO5样品，需要的温度较高且浪费能源，另外很难以获得单一四方相的Sr3SiO5，从而严重影响其发光性能。本工作首次采用快速节能的微波烧结法制备了Sr3SiO5∶Eu2+黄色荧光粉，研究了合成荧光粉的结构和发光性能。

1 实验部分

1.1 样品制备

采用石墨辅助微波加热法合成Sr3SiO5∶Eu2+荧光粉，按照Sr2.93SiO5∶0.07Eu2+的化学计量比准确称量SrCO3(A.R.)4.5 g、普 通 SiO2(A.R.)6.0 g、Eu2O3(4N)1.23 g、BaF2(A.R.)3.8 g 作为原料，其中 BaF2(A.R.)为助熔剂。将称量的原料置于玛瑙研钵中充分研磨，然后在25 mL的刚玉坩埚下铺一层厚度为3 mm的石墨粉，将混合原料放入坩埚内石墨粉上，在原料上面再盖一层厚度为5 mm的石墨粉，然后将坩埚置于微波马弗炉内，用石棉将炉膛填满，同时启动4组微波加热10 min，微波功率为3200 W，物料温度显示1200℃并开始下降，炉膛温度为1100℃，关闭微波源，冷却，取出试样，获得橘黄色荧光粉。

1.2 样品表征

采用日本理学UltimaⅣX射线衍射仪测试样品的结构(Cu Kα1辐射，管压 40 kV，电流 20 mA，λ=0.15406 nm)。采用RF-5301PC型荧光分光光度计测量样品的激发光谱和发光光谱 (光源为Xe灯，150 W)。

2 结果与讨论

2.1 样品的XRD分析

图 1 Sr3SiO5∶Eu2+样品的 XRD 图Fig.1 XRD pattern of Sr3SiO5∶Eu2+sample

图1为Sr3SiO5∶Eu2+荧光粉的XRD图，由图中可知样品的衍射与PDF标准卡(No.26-0984)的衍射峰一致，由此可以认为合成的荧光粉为四方相Sr3SiO5结构，P4/ncc(130)空间群，晶格常数a=0.694 8 nm，c=1.0753 nm。荧光粉结构为我们设计的所需结构，说明采用快速的微波合成法可以获得高温相的四方Sr3SiO5结构。

2.2 样品的发光性能

图2是Sr3SiO5∶Eu2+样品的荧光光谱图，其中(a)图为发射光谱，(b)图为激发光谱，测试发射光谱时激发波长为460 nm，测试激发光谱时检测波长为575 nm。由(a)图可知，样品的发射光谱由峰值位于575 nm的宽带谱组成，光谱呈高斯分布，发光强度较高，分析认为是由于Eu2+的4f65d1激发态到4f7基态跃迁引起；图中并没有观察到Eu3+的f-f跃迁，说明三价的Eu均被还原为二价，分析认为石墨在整个实验过程中，一方面充当微波吸收剂，给试样加热，另一方面在高温下与原料中释放出来的CO2反应生成CO，为Eu2+的形成提供了还原气氛，起到还原剂作用。由图(b)可知，样品的激发光谱范围较宽，从400 nm到550 nm均能有效激发，激发光谱主峰位于532 nm，样品除了位于532nm的激发峰外，在450、468、482和493 nm处还存在相对较强的激发，在450 nm最弱，468 nm的激发峰说明样品可被蓝光LED激发，样品具有宽的激发和发射，有利于全色白光的实现，从而获得更适合人眼的白光。

图 2 Sr3SiO5∶Eu2+样品的发光光谱Fig.2 Luminescence spectra of Sr3SiO5∶Eu2+sample

2.3 样品的颗粒形貌

图3给出微波法合成Sr3SiO5∶Eu2+粉体样品的SEM照片，图中的大图为在低放大倍数下观测到得粉体颗粒的分布及形貌，插图为局部区域的放大照片。由图可以看出，微波法合成的Sr3SiO5∶Eu2+荧光粉的颗粒分布较均匀，通过插图看出，颗粒的粒径介于100～200 nm之间，颗粒呈现近球体和长方体形状。由此可以认为，采用微波法合成微纳结构的Sr3SiO5∶Eu2+荧光粉样品，该样品颗粒正好适合用于白光LED封装。

图 3 Sr3SiO5∶Eu2+样品的 SEM 照片Fig.3 SEM photograph of Sr3SiO5∶Eu2+sample

2.4 样品的白光输出特性

将合成的荧光粉在载波片上均匀的涂敷厚度为0.5 mm薄膜，然后采用GaN基蓝光LED芯片在背面激发样品，利用荧光光谱仪测试其组合光谱输出特性，测试结果如图4所示，其中(a)图为组合发光光谱图，(b)图给出组合光谱的色坐标图。由图(a)可知，荧光粉样品在蓝光LED激发下，发射光峰值位于581 nm，透过荧光粉的蓝光LED发光峰值为472 nm，透过的蓝光与样品发射的黄光复合获得白光，从样品的正面可以看到明亮的白光。根据光谱通过计算获得组合白光的色坐标为(x=0.394，y=0.341)，相关色温为 3239 K。由图(b)可以看出，组合白光位于色坐标中白光范围，且偏向红色区域，由此可以认为该荧光粉与蓝光LED组合可以实现暖白色白光。

图4 Sr3SiO5∶Eu2+样品的组合光谱特性Fig.4 Combination spectra properties of Sr3SiO5∶Eu2+sample

3 结 论

采用微波法合成了白光LED用Sr3SiO5∶Eu2+橘黄色荧光粉，实验过程中石墨既是微波吸收剂，又提供还原性气氛。荧光粉的晶体结构为四方相的Sr3SiO5，荧光粉颗粒分布均匀，介于100～200 nm之间。荧光粉在460 nm的蓝光激发下发射峰位于575 nm，激发光谱范围宽，主峰位于532 nm，并在460 nm附近存在激发次峰。样品在蓝光LED芯片激发下可以实现暖白色白光输出，色坐标为(x=0.394，y=0.341)，相关色温为3239 K。微波法是一种快速合成Sr3SiO5∶Eu2+橘黄色荧光粉的方法，Sr3SiO5∶Eu2+橘黄色荧光粉是目前实现暖白光的一种最佳荧光粉。

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Microwave Synthesis and Properties Characterization of Sr3SiO5∶Eu2+Phosphor

LIU Quan-Sheng HAO Xin-Yan XU Guo-Feng ZHAO LiCAO Dan-Dan WANG RuiZHANG Xi-Yan＊SUN Hai-Ying
(Engineering Research Center of Optoelectronic Functional Materials of the Ministry of Education,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022)

Silicate orange yellow phosphor used in white-light LED was prepared by microwave method.The structure and optical properties of phosphor were studied.Sr3SiO5∶Eu2+phosphor synthesized by microwave method is tetragonal structure of Sr3SiO5with uniform particle distribution.Luminescence spectrum is a broad band spectrum peaking at 575 nm.The peak of excitation is at 532 nm and phosphor can be excited by blue LED.The warm white light was obtained combined phosphor and blue LED.The CIE chromaticity coordinates and correlated color temperature of white light is(x=0.394,y=0.341)and 3239 K respectively.

Sr3SiO5∶Eu2+;luminescence material;microwave method;white LED

TQ132.3+3；O614.23+2；O614.33+8

A

1001-4861(2010)07-1303-04

2010-03-29。收修改稿日期：2010-04-17。

吉林省科技厅项目(No.20090348，20080511)，长春市科技局项目(No.2009141)资助。＊

。 E-mail：xiyzhang@126.com

刘全生，男，32岁，博士，讲师；研究方向：稀土光电功能材料。