光致發(fā)光材料

發(fā)光二極管( LED)是固體光源，具有節(jié)能、環(huán)保、全固體化、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是21世紀(jì)人類(lèi)解決能源危機(jī)的重要途徑之一。白光LED以其省電（為白熾燈的1/8，熒光燈的1/2）、體積小、發(fā)熱量低、可低壓或低電流起動(dòng)、壽命長(zhǎng)（120000h以上）、響應(yīng)快、抗震耐沖、可回收、無(wú)污染、可平面封裝、易開(kāi)發(fā)成輕薄短小產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)得到了迅猛的發(fā)展。白光LED廣泛應(yīng)用于城市景觀照明、液晶顯示背光源、室內(nèi)外普通照明等多種照明領(lǐng)域，被認(rèn)為是替代白熾燈、熒光燈的新一代綠色照明光源。

1)獲取白光LED的方法

獲取白光LED的主要途徑有以下三種。①利用三基色原理和已能生產(chǎn)的紅、綠、藍(lán)三種超高亮度的LED，按光強(qiáng)1：2：0.38的比例混合而成白色。但由于LED器件光輸出會(huì)隨溫度升高而下降，不同的LED下降程度差別較大，結(jié)果造成混合白光的色差，限制了用三基色LED芯片組裝實(shí)現(xiàn)白光的應(yīng)用。②藍(lán)色LED芯片與可被藍(lán)光有效激發(fā)的發(fā)黃光熒光粉結(jié)合，組成白光；這時(shí)LED用熒光粉吸收一部分藍(lán)光，受激發(fā)后發(fā)射黃光，發(fā)射的黃光與剩余的藍(lán)光混合，通過(guò)調(diào)控二者的強(qiáng)度比后，可以獲得各種色溫的白光。③采用發(fā)紫外光的LED芯片和可被紫外光有效激發(fā)而發(fā)射紅、綠、藍(lán)三基色的熒光粉，產(chǎn)生多色混合組成白光LED。此外，也可選用兩基色、四基色，甚至五基色熒光粉來(lái)獲得白光。

熒光粉性能的好壞直接影響白光LED的性能。制備白光發(fā)光二極管大多離不開(kāi)稀土熒光粉，主要有黃色熒光粉和三基色熒光粉等。因此獲得化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定和性能優(yōu)異的熒光粉是實(shí)現(xiàn)白光LED的關(guān)鍵。

2) LED用黃色熒光粉

藍(lán)色LED芯片和一種或多種能被藍(lán)光有效激發(fā)的熒光粉有機(jī)結(jié)合可組成白色LED。其中發(fā)展最成熟的是藍(lán)色LED與黃色熒光粉的組合，一部分藍(lán)光被熒光粉吸收后，激發(fā)熒光粉發(fā)射黃光，發(fā)射的黃光和剩余的藍(lán)光混合，調(diào)控它們的強(qiáng)度比，即可得到各種色溫的白光。這種方法驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易、生產(chǎn)容易、耗電量低。

當(dāng)今使用最多的是InGaN藍(lán)光LED，發(fā)射峰值450～480nm，采用藍(lán)光LED激發(fā)黃光熒光粉獲得白光。熒光粉使用的是三價(jià)鈰激活的稀土石榴石體系(YAG)熒光粉，它的吸收和激發(fā)光譜與InGaN芯片的藍(lán)色發(fā)光光譜匹配較佳，發(fā)射光譜覆蓋綠一黃（橙黃光）的光譜范圍，缺少紅色成分，色調(diào)偏冷，不能達(dá)到室內(nèi)照明的要求。為解決這一問(wèn)題，可以在YAG黃色熒光粉中摻入適量的紅色熒光粉。

上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料是一種吸收低能光輻射，發(fā)射高能光輻射的發(fā)光材料。上轉(zhuǎn)移發(fā)光，是指兩個(gè)或兩個(gè)以上低能光子轉(zhuǎn)換成一個(gè)高能光子的現(xiàn)象。上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的發(fā)光機(jī)理是由于雙光子或多光子的耦合作用；其特點(diǎn)是所吸收的光子能量低于所發(fā)射的光子能量，這種現(xiàn)象違背斯托克斯(Stokes)定律，因此這類(lèi)材料又稱(chēng)為反斯托克斯發(fā)光材料。在一些文獻(xiàn)中上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料特指將紅外光轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光的材料。

上轉(zhuǎn)換主要的應(yīng)用領(lǐng)域有全固態(tài)緊湊型激光器件（紫、藍(lán)、綠區(qū)域）、上轉(zhuǎn)換熒光粉、三維立體顯示、紅外量子計(jì)數(shù)器、溫度探測(cè)器、生物分子的熒光探針、光學(xué)存儲(chǔ)材料等。自20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料以來(lái)，人們對(duì)上轉(zhuǎn)換發(fā)光進(jìn)行了廣泛的研究。90年代后，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，上轉(zhuǎn)換發(fā)光的研究又重新活躍起來(lái)；特別是納米微粒的上轉(zhuǎn)換發(fā)光的研究，引起了世界各國(guó)的高度重視。國(guó)內(nèi)外研究方向主要集中在以氧化釔為發(fā)光基質(zhì)材料，摻雜稀土金屬鐿、鉺等離子的納米微粒材料的制備方法以及其發(fā)光機(jī)制、發(fā)光效率改進(jìn)等方面。

光的吸收和發(fā)射均發(fā)生在能級(jí)之間的躍遷過(guò)程中，都經(jīng)歷激發(fā)態(tài)，而能量傳遞則是由于激發(fā)態(tài)運(yùn)動(dòng)。激發(fā)光輻射的能量可直接被發(fā)光中心（激活劑或雜質(zhì)）吸收，也可能被發(fā)光材料的基質(zhì)吸收。在第一種情況下，發(fā)光中心吸收能量向較高能級(jí)躍遷，隨后躍遷回到較低的能級(jí)或基態(tài)能級(jí)而產(chǎn)生發(fā)光。在第二種情況下，基質(zhì)吸收光能，在基質(zhì)中形成電子一空穴對(duì)，它們可能在晶體中運(yùn)動(dòng)，被束縛在發(fā)光中心上，發(fā)光是由于電子一空穴的復(fù)合而引起的。當(dāng)發(fā)光中心離子處于基質(zhì)的能帶中時(shí)，會(huì)形成一個(gè)局域能級(jí)，處在基質(zhì)導(dǎo)帶和價(jià)帶之間，即位于基質(zhì)的禁帶中。對(duì)于不同的基質(zhì)結(jié)構(gòu)，發(fā)光中心離子在禁帶中形成的局域能級(jí)的位置不同，從而在光激發(fā)下，會(huì)產(chǎn)生不同的躍遷，導(dǎo)致不同的發(fā)光色。光致發(fā)光材料分為熒光燈用發(fā)光材料、等離子體顯示平板( PDP)用發(fā)光材料、長(zhǎng)余輝發(fā)光材料和上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料。

長(zhǎng)余輝發(fā)光材料是在自然光或人造光源照射下能夠存儲(chǔ)外界光輻照的能量，然后在某一溫度下（指室溫），緩慢地以可見(jiàn)光的形式釋放，是一種存儲(chǔ)能量的光致發(fā)光材料。長(zhǎng)余輝發(fā)光材料稱(chēng)做蓄光材料或夜光材料。長(zhǎng)余輝發(fā)光材料在弱光顯示、照明、特殊環(huán)境（交通、航天、航海、印染、紡織、藝術(shù)品等）等方面有重要的應(yīng)用。

稀土離子摻雜的堿土鋁（硅）酸鹽長(zhǎng)余輝材料已進(jìn)入實(shí)用階段。市場(chǎng)上可見(jiàn)的產(chǎn)品除了初級(jí)的熒光粉外，主要有夜光標(biāo)牌、夜光油漆、夜光塑料、夜光膠帶、夜光陶瓷、夜光纖維等，主要用于暗環(huán)境下的弱光指示照明和工藝美術(shù)品等。長(zhǎng)余輝材料的形態(tài)已從粉末擴(kuò)展至玻璃、單晶、薄膜和玻璃陶瓷；對(duì)長(zhǎng)余輝材料應(yīng)用的要求也從弱光照明、指示等擴(kuò)展到信息存儲(chǔ)、高能射線探測(cè)等領(lǐng)域。長(zhǎng)余輝發(fā)光材料屬于電子俘獲材料，其發(fā)光現(xiàn)象是由材料中的陷阱能級(jí)所致。由于能級(jí)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及受測(cè)試分析手段所限，長(zhǎng)余輝材料的發(fā)光機(jī)理還沒(méi)有十分清晰、統(tǒng)一的理論模型。比較典型的理論模型有空穴模型、電子陷阱模型和位型坐標(biāo)模型等三種，其中位型坐標(biāo)模型是得到較多認(rèn)可的。

無(wú)機(jī)光致發(fā)光材料，以無(wú)機(jī)材料作為發(fā)光基質(zhì)的材料。包括氧化物熒光粉、鹵化物熒光粉、硅酸鹽熒光粉、磷酸鹽熒光粉、鹵磷酸鹽熒光粉、鋁酸鹽熒光粉、硼酸鹽熒光粉、鎢酸鹽熒光粉、釩酸鹽熒光粉、氮化物熒光粉等。

無(wú)機(jī)光致發(fā)光材料及應(yīng)用編輯推薦

作者結(jié)合自己多年的科研成果，查閱大量國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究性文獻(xiàn)和書(shū)籍，編著成本書(shū)。本書(shū)以晶體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合發(fā)光材料的基本概念和測(cè)試方法、發(fā)光機(jī)理和發(fā)光過(guò)程，重點(diǎn)描述了光致發(fā)光材料在新型照明器件和等離子體平板顯示器上的應(yīng)用，并對(duì)長(zhǎng)余輝蓄能發(fā)光材料和上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料進(jìn)行了詳細(xì)描述，對(duì)新型的發(fā)光材料合成工藝也進(jìn)行了歸納和總結(jié)。全書(shū)共分9章，第1章系統(tǒng)歸納了典型的晶體結(jié)構(gòu)和稀土離子能級(jí)的基礎(chǔ)知識(shí)；第2章較全面地概括了發(fā)光材料的基本概念，并對(duì)典型表征手段進(jìn)行了系統(tǒng)介紹；第3章概述了光致發(fā)光過(guò)程和影響發(fā)光性能的重要因素；第4章簡(jiǎn)述了光致發(fā)光的基本機(jī)理；第5章介紹了無(wú)機(jī)發(fā)光材料的新型合成方法；第6章歸納了新型照明器件的基本結(jié)構(gòu)特性和發(fā)展?fàn)顩r；第7章從結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方法、材料組成和制備工藝等方面全面總結(jié)了發(fā)光材料在等離子體顯示器件中的應(yīng)用；第8章和第9章分別敘述了長(zhǎng)余輝和上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的基本材料組成、性能和應(yīng)用領(lǐng)域。

無(wú)機(jī)光致發(fā)光材料及應(yīng)用內(nèi)容簡(jiǎn)介

本書(shū)在闡明光致發(fā)光材料的基礎(chǔ)理論、基本概念、發(fā)光過(guò)程和發(fā)光機(jī)理的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地闡述了無(wú)機(jī)發(fā)光材料各種制備方法的基本原理和制備工藝；全面介紹了各類(lèi)新型照明器材的結(jié)構(gòu)，性能和制造工藝；重點(diǎn)敘述了PDP的工作原理、結(jié)構(gòu)特征和制造工藝，并對(duì)長(zhǎng)余輝發(fā)光材料、上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料及其應(yīng)用進(jìn)行了較全面的闡述。

本書(shū)融無(wú)機(jī)光致發(fā)光材料的結(jié)構(gòu)、制備工藝和性能及應(yīng)用于一體，既有一定理論性，又密切結(jié)合發(fā)光材料與器件的生產(chǎn)實(shí)踐。本書(shū)可作為大專(zhuān)院?！安牧峡茖W(xué)與工程”專(zhuān)業(yè)教材或教學(xué)參考書(shū)，也可供從事發(fā)光材料與器件研發(fā)生產(chǎn)的工程技術(shù)人員和科研人員參考。