掺Eu的α-SiAlON荧光材料的第一性原理研究

论文摘要

1996年,日本的日亚公司以GaN蓝光LED（light emitting diode,即发光二极管）为基础,研制出发光二极管器件（白光LED）可作为照明设备使用。白光LED和传统的白炽灯以及荧光灯照明器件相比具有很多优点,例如,体积小（小颗粒、组合方便）、低电耗、低热量损耗（无热辐射）、寿命长（理论上大于10万小时）、响应速度快、对环境污染小（无污染、可回收）,因此掀起了一股研发白光LED的热潮。由半导体材料的发光原理可知,单一的LED芯片很难发出连续光谱的白光。目前一般通过三种方法来实现白光:（1）三色红、绿、蓝LED,混合后形成白光,但是技术和控制系统比较复杂;（2）蓝色LED和可以被蓝光激发的发红、绿光的荧光粉（或黄色荧光粉）的组合,在这个过程中LED发出蓝光,能被荧光粉吸收,并产生红、绿（黄）光,没被吸收的蓝光和被荧光粉吸收并激发产生的红、绿光或黄光混合产生白光,这样既避免了紫外线对眼睛的伤害,还降低了光转换过程的能源损耗;（3）和三基色节能灯类似,利用近紫外光LED,可有效地激发红、绿、蓝三色荧光粉有机组合产生白光。理论上这种技术可以调配成任何色温的光源,而且其显色性更好,制备比较容易。白光LED发展的关键之一是荧光粉的发展。传统荧光粉的基质大部分由铝酸盐、硫化物、硅酸盐等构成。近几年,国内外出现了很多以硅基氮化物和氮氧化物为基质,并掺杂稀土元素的荧光材料的报道,如M-α-SiAlON:Eu2+ （M= Li, Mg, Ca, Y）,Sr2Si5N8:Eu2+等。氮化物和氮氧化物相对于硫化物和氧化物来说,由于氮具有相对较小的电负性和较大的电子云膨胀效应,有效促进稀土离子5d能级在晶体场中的分裂,从而使5d-4f之间的能级差减小,激发-发射波长红移,与紫外或蓝光LED匹配。同时可以通过在很大范围调节氮氧比例来控制激发-发射波长,使荧光粉具有较优的可控性,提高白光LED的性能,同时氮以及氮氧化物还具有稳定的化学性质和优良的高温发光性能。α-SiAlON是最先提出的硅氧氮化物荧光体。在实验中发现,不同的基质金属填隙离子对其发光有影响,如Ca-α-SiAlON的光转换效率远大于Mg-α-SiAlON,但是通过一般的发光理论很难给出合理的解释。本论文的工作就是实验测量结合密度泛函理论计算,研究填隙金属离子影响荧光粉光学性质的机理。由于Ca和Mg有相同的化合价,为了便于比较,因此我们选择掺Eu的Ca-α-SiAlON和Mg-α-SiAlON作为研究对象。第一章介绍了白光LED的应用和白光LED用荧光粉以及用于荧光粉电子结构计算的第一性原理。第二章介绍了研究M-α-SiAlON:Eu2+性质的手段,有X射线衍射分析（XRD）、扫描电镜（SEM）、光致发光谱（PL）以及计算软件Materials Studio。XRD用于分析不同方法制备的材料的结晶质量;SEM用于材料的表面形貌的表征;PL谱主要用于研究材料的光学性质;计算软件Materials Studio是通过构建的晶体结构来计算材料的各种性质。第三章首先用实验方法制备了掺Eu的Ca-α-SiAlON和Mg-α-SiAlON,并研究了它们的光致发光谱。结果发现,Ca稳定的α-SiAlON和Mg稳定的α-SiAlON中,发光强度不同。然后我们构建了合理的结构模型,计算了这两种结构的电子态密度和能带结构,通过对态密度结果的分析,发现Ca和Mg相比,对导带底的贡献更多,而在两种结构中,价带顶主要是来自Eu4f电子态的贡献,这可以定性地解释Eu的Ca-α-SiAlON发光性能更好的原因。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 发光二极管（light emitting diode, LED）简介
• 1.1.1 LED 的发展历史
• 1.1.2 LED 的发光原理
• 1.1.3 白光LED 的分类
• 1.2 LED 用荧光粉简介
• 1.2.1 LED 用荧光粉的种类
• 1.2.2 稀土离子掺杂荧光粉的研究进展
• 1.2.2.1 硅酸盐系
• 1.2.2.2 铝酸盐系
• 1.2.2.3 钨钼酸盐体系
• 1.2.2.4 硫氧化物体系
• 1.2.2.5 氮化物和氮氧化物体系
• 1.3 荧光粉的发光理论分析
• 1.3.1 荧光材料的组成
• 1.3.2 荧光粉的发光原理
• 1.4 本论文提出的意义及主要工作
• 1.5 第一性原理计算方法
• 1.5.1 重要意义
• 1.5.2 密度泛函理论
• 1.5.2.1 Born-Oppenheimer 近似（绝热近似）
• 1.5.2.2 Hartree-Fock 近似
• 1.5.2.3 Hohenberg-Kohn 定理
• 1.5.2.4 Kohn-Sham 方程
• 1.5.2.5 交换-关联能量泛函
• 1.5.3 结构优化
• 1.5.4 能带理论
• 参考文献
• 第二章 实验过程及Materials Studio 软件的介绍
• 2.1 主要试剂和纯度
• 2.2 制备工艺
• 2.2.1 荧光材料的高温固相法合成
• 2.2.2 荧光材料的燃烧法合成
• 2.3 样品制备仪器设备
• 2.3.1 样品制备仪器
• 2.3.2 样品表征仪器
• 2.3.2.1 X 射线衍射分析（XRD）
• 2.3.2.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.3.2.3 光致发光谱（PL）
• 2.4 Materials Studio 软件简介
• 参考文献
• 第三章 掺Eu 的M-α-SiAlON（M=Ca，Mg）荧光粉的研究
• 3.1 引言
• 3.2 α-SiAlON 荧光粉的合成及其光学性质
• 3.2.1 α-SiAlON 荧光粉的合成
• 3.2.2 样品结构分析
• 3.2.3 样品的发光性质研究
• 3.2.3.1 激发光谱测试
• 3.2.3.2 发射光谱结果
• 3.3 M-α-SiAlON（M=Ca，Mg）：Eu 的光学性质、电子结构的计算
• 3.3.1 计算方法
• 3.3.2 计算模型的构建
• 3.3.3 光学性质的计算
• 3.3.4 能带和电子结构计算
• 3.4 构建超晶胞模型的计算结果
• 3.4.1 计算模型的构建
• 3.4.2 光学性质计算结果
• 3.4.3 能带计算结果
• 3.4.4 电子结构计算结果
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 致谢