WLED发光二极管综述

PAGE1第一章文献综述1.1引言光照是人类从事生产生活必不可少的条件。光照技术的发展一直与人类社会文明的发展和进步密切联系。所以从古至今人们对优良照明技术的追求从未停止过。然而直到二十世纪白炽灯的发明，人类的照明才摆脱对火的依赖。从那个时候至今电光源照明领域大致经历了3个发展阶段：白炽灯，荧光灯和气体放电灯。白炽灯属于热辐射，它的原理是将高熔点金属丝加热。加热后的金属丝按照普朗克黑体辐射公式中的辐射强度分布发光，它的发光光谱与加热区温度有关，是一个连续谱，充满整个可见光光谱。不得不承认，爱迪生这项伟大的发明使人类的生产和社会活动时间得以延续至全天，这极大推动了人类文明的发展。但与此同时由于白炽灯属于热辐射发光，因而它的发光效率是很低的，即使有着100多年的发展史，其发光效率也仅有15lm／W，电光转换效率只有l0％左右，大部分能量都转化成了热能辐射。另外，由于白炽灯能耗高，用于产生电能所燃烧的煤不计其数，并且每年产生数以亿吨的二氧化碳，给环境和能源带来极大压力。荧光灯的工作原理是用电流去激发汞原子，使它们发出紫外线光子，这些光子可以激发荧光粉使其发出可见光。相比于白炽灯，荧光灯有一点的节能优势，但由于受制于紫外线一可见光转换效率，发光效率提高也有限，而且存在有使用寿命短、产品易碎、电磁污染等缺点，与此同时其主要组成部分汞，还会对环境造成污染。高强度气体放电灯，发光效率已经可以超过100lm／W，但由于热导、紫外、红外等损失，发光效率也很难有显著的提高，且存在成本高、维护难、寿命短、辐射等问题。当今世界的快速发展使得人类对能源的需求越来越大，然而传统的一次能源已经日渐枯竭，二次能源还没能有好的发展。因而能源问题已经成为很多研究的重点对象。照明是人们生活中必不可少的重要一环。随着时代的发展，照明早已不再是最初人们对它的认识。它早已渗透到生活，生产，医疗卫生，科研教学等多个环节。世界对照明的需求的大量提升使得照明所消耗的能源比重也大大提升。据统计全球用于照明的总平均用电量，约占全球总用电量的百分之四十。如此庞大的占比使得改革传统高消耗低传化率的照明方式变得刻不容缓。面前一批新型的节能灯正逐步取代白炽灯的位置，但开发正有效率耗能更低的照明技术仍然不能懈怠。基于这样的大背景下，白色发光二极管（whitelight—emittingdiodeWLED）应运而生。1996年，日本日亚化学公司发明了一种通过在蓝光InGaN芯片上涂覆钇铝石榴石黄色荧光粉Y3A15O12：Ce3+产生白光的全新发光器件，这一跨时代的发现将人类社会引入了半导体照明时代。与传统照明光源相比，白光LED有一下几点优点：一、尺寸、体积小，每个单元LED可以制备成各种形状的器件并允许用辅助光学器件灵活地控制光束。且其可平面封装，易开发成轻薄短小的产品；二、安全、节能，相比于日关灯和荧光灯，由于采用低电压，低电流启动，耗电少，可节约85％的能量；三、无热辐射，LED是冷光源，几乎不产生热量，消除了可见光区电磁波对人体健康的威胁；四、采用了InGaN材料，这种材料具有很大的电子迁移率，反应速度快，高频场合也能适用；五、绿色环保，所耗电量少也减少了也降低了对发电燃煤的需求，同时电光转化效率高（接近60%）。另外，与荧光灯比，白光LED的制作和使用过程中都不会引入汞的污染，无废弃物处理；六、使用寿命长，LED采用环氧树脂封装，反复开关无损寿命，坚固耐用，平均寿命达10万小时；另外还有易于调光、色彩多样、光束集中稳定、启动无延时等优势。虽然与此同时LED也有着起始成本高、显色性差、大功率LED效率低、恒流驱动（需专用驱动电路）等缺点，但相比于各种传统照明，其局限已经算是很少了。正是由于这些优点，白光LED被视为绿色照明光源，并被誉为第四代照明光源，是2l世纪最有价值的新光源。随着发光效率的提高和成本的降低，特别是全球能源危机的加剧及各国对环保标准的提高，白光LED越来越受到全球瞩目。20世纪90年代LED技术的长足进步,不仅是发光效率超过了白炽灯,光强达到了烛光级,而且颜色也从红色到蓝色覆盖了整个可见光谱范围,这种从指示灯水平到超过通用光源水平的技术革命导致各种新的应用,诸如汽车信号灯、交通信号灯、室外全色大型显示屏以及特殊的照明光源。1.2白光LED的发光机理1.2.1发光的定义当材料受到光的照射、外加电场或电子束轰击等外界的能量激发后，若在这过程中不发生化学变化，它总要回复到原来的平衡状态。这样，一部分多余的能量会通过光或热的形式释放出来。如果这部分能量是以可见光或近可见光的电磁波形式发射出来的，我们就称这种现象为发光。按照激发方式的不同，固体发光主要分为光致发光、阴极射线发光、电致发光、热释发光、化学发光、生物发光、应力发光等。1.2.2光源的色彩特性简介用于表征色彩发光特性的指标包括：1）CIE色度坐标图(CIEChromaticityCoordinates)，这是由国际照明委员会制定的一套描述光的颜色的抽象数学模型（如图1.1所示）；图1.11931年CIE标准色度图色温，色温是表示光源光谱质量最通用的指标，是按绝对黑体来定义的，绝对黑体的辐射和光源在可见区的辐射完全相同时，此时黑体的温度就称此光源的色温。表1.1列出了一些常用光源的色温；表1.1不同光源的色温3）显色性和显色指数，光源对物体的显色能力称为显色性，是通过与同色温的参考或基准光源（白炽灯或画光）下物体外观颜色的比较；显色指数系数仍为目前定义光源显色性评价的普遍方法。显色指数系统将日光的显色指数定为100，此系统用8种彩度中等的标准色样来检验、比较测试光源下与同色温的基准光源下此8色的偏离程度，以测量该光源的显色指数。；4）发光效率，光源的发光效率是指光源发出的光通量与它消耗的电功率之比。通常用每瓦特(W)电能转变成光的通量流明来表示，流明是光通量的单位。发光效率随光源的不同而不同通常有三种表示法：量子效率、能量效率和流明效率。1.2.3半导体发光的原理发光二极管与普通二极管一样是由一个P-N结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。发光二极管的反向击穿电压大于5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过二极管的电流。限流电阻R可用下式计算：R=（E－UF）/IF式中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的正常工作电流。发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为P-N结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。1.2.4LED白光的产生目前，合成白光的途径主要有三种，如图1.2所示：一、用蓝光LED激发黄色荧光粉；二、用紫外线激发三基色荧光粉；三、由红绿蓝三色LED芯片组装形成白光照明光源。这三种方法有着不同的优缺点。其中效率最高、显色最佳的方式是就用三基色（红绿蓝）芯片产生白光。因为它因斯托克斯位移造成的能量损失最小，且每个芯片可以通过调节自身的的驱动电流而改变颜色，颜色的可控性大。然而这也要求三个芯片能在电流等方面能相配合，这就无形中增加了这种技术的难度，阻碍了它的大规模应用。通过紫外芯片激发三基色(红、绿、蓝三色)荧光粉的方式，发光性能稳定，显色能力较高，然而，由于在光转换过程中，这种方法不能像上一种方法一样避免较大的斯托克斯位移造成的发光效率较低的问题，而且来自绿光和红光发射的影响，使得蓝光发射效率降低。同时，这种方式也面临着缺少性能优异的蓝色荧光粉和高效率红色荧光粉的问题。而蓝光、紫外、深紫外LED激发荧光粉的实现途径，成为半导体白光照明技术研究的主流，且已经商业化。这种方式产生的白光缺少红光组分，因而其显色指数低，色温较高，对这种技术的推广造成了影响。1.2.5发光过程中的能量传递如图1.2所示整个发光过程中能量的传递可以分为四种情况：第一种情况(如图1.2a)：基质本身吸收激发能，并将其转化为光，并释放出热量。第二种情况(如图1.2b)：激活中心吸收激发光而转变为激发态，然后恢复到稳定的基态并发出光和热量；在恢复到基态的过程中，一部分能量能够通过热振动形式释放出去，这种形式称为非辐射跃迁，非辐射跃迁的几率对发光材料的发光效率有很决定性的影响。图1.2光离子在基质晶格中的发光行为第三种情况(如图1.2c)：当激活中心不能有效地吸收激发能时，需要将另一种离子掺杂到基质中用来吸收激发辐射，然后将能量传递给激活中心。这时，我们称这种吸收辐射能的离子为敏化剂。第四种情况(如图1.2d)：在此情况下，基质本身扮演一种敏化剂的角色，如在发光粉体YVO4：Eu3+中，YVO4可以强烈吸收254纳米处的紫外光，然后将能量传递给发光中心Eu3+，使其放出明亮的红光。1.3白光LED荧光粉1.3.1荧光粉的组成白光LED发光材料(即荧光粉)有两部分组成：基质和发光中心。发光中心的电子在不同能级之间的跃迁时会吸收和发射光子，形成发光现象，通常作为发光中心的为稀土离子和过渡金属离子。基质则是发光中心的载体，并为发光中心提供合适的晶场环境，晶体场环境能影响发光中心的能级位置和能级劈裂，或者吸收能量后传递给发光中心，进而影响发光性能。因此选择合适的基质材料显得至关重要。经过长期的研究，各种性能优异的基质材料被开发并制备成图1．3三种实现白光的方式((a)三色LED混色：(b)紫外转换法；(c)蓝光芯片与黄色荧光粉混合)发光材料，其中包括石榴石结构基质材料、硫／氧硫化物、硅酸盐、铝酸盐、、硼酸盐、钼／钨酸盐、氮／氮氧化物、卤化物等。主要的几种基质材料介绍如下：1）石榴石荧光粉这类荧光粉中，最为我们所熟知的是广泛使用的Y3A15O12：Ce3+。其基质材料是Y3A15O12(即钇铝石榴石，简写为YAG)。这类材料的结构是对称性的立方结构。其中A13+形成六配位和四配位，Y3+为八配位，A1O6八面体连接到六A1O4四面体，A1O4四面体通过一个公共中心连接四个A1O6八面体，Y3+位于AlOx多面体的间隙之中。但由于缺少红光成分，基于蓝光lnGaN芯片的YAG：Ce3+的显色指数很低。因此，当前一部分的研究正致力于改善这一性能，如用在Y的位置掺杂Tb的方式来增加其光谱中的红光成分。2)硅酸盐基荧光粉为了改善YAG：Ce类荧光粉的发光性能和显色指数对温度的依赖，同时为了避免因产权和专利的问题，不少研究者正致力于非石榴石结构的荧光粉的研究。在放光中心方面，这类荧光粉的研制之中二价铈离子和二价铕离子经常被用到；在基质材料方面则主要以硅酸盐和铝酸盐为主。硅酸盐基黄光粉大多具有较宽的激发波段较和窄的发射波段，同时硅酸盐物质本身不太耐高温，对湿度较为敏感，因此这类荧光粉不适合用于大功率LED的制作。3)硫／氧硫化物基荧光粉硫／氧硫化物基荧光粉，这类材科在长波紫外线至蓝光区有着很宽的激发波段，因而，这类荧光粉在很早就被人们开发应用，特别是其中的绿粉和红粉，有着优异的发光性能和高的发光效率高。但其材料本身化学性质不很稳定，容易易潮解，这大大阻碍了硫／氧硫化物荧光粉的应用。4)钼／钨酸盐基荧光粉钼／钨酸盐基化合物本身有着良好的光学性能，以白钨矿为代表的钼／钨酸盐材料，被广泛的用于激光器、闪烁计数器、荧光提的制作。钼酸根性质的特殊之处在于钼酸盐中的MoO42-是四面体结构，O2-位于四面体的4个顶角，Mo6+位于四面体中心处。基态时Mo6+外层电子轨道充满电子，受到激发时，O2-中的一个2p电子向Mo6+的d空轨道作电荷迁移态激发，形成Mo5+，被激发的电子由高能态随即回到稳定基态，便产生跃迁辐射。如果在钼酸基荧光粉中掺入Eu3+，则会在近紫外区显示出强而宽的的电荷转移吸收带和发光中心Eu3+特有的的有效f-f跃迁，所以钼／钨酸盐荧光粉是一种被寄予厚望的红色荧光粉。5)氮／氧化物基荧光粉氮／氧化物荧光粉在近些年受到了广泛的关注，是一种新型的发光材料。氮具有较高的电负性可以很多元素结合即可形成氮化物，如碱土金属／碱金属氮化物、过渡族金属氮化物等。但如果是选作发光材料的话，金属键氮化物或离子键氮化物因为是电子或离子导体，有着较窄的带宽，所以不适宜用作发光材料的基质。相反，大多数的共价氮化物是半导体和绝缘体，它们的带宽较大，且共价键氮化物会产生强电子云膨胀，降低了掺杂离子的5d电子的激发态能量，这些效果综合起来使氮化物荧光粉相对于传统灯用荧光粉或者CTR用荧光粉有着出色的可见光激发和很小斯托克位移，因而可以用作发光材料的基质。但是，再合成氮／氧化物荧光粉要求诸如高温、氮气氛围等要求较高的调件，使其制作成本变高，与此同时氮化物荧光粉的发射峰也较窄。6)其他基质材料荧光粉除以上几种常见的荧光粉外，近几年，磷酸盐等荧光体也受到了相当多的关注。用作WLED的荧光体，需要满足例如具备蓝光或长紫外光激发响应，以满足现有的蓝光芯片或者LED紫外的匹配条件，能高效率的产生可见光发射，转换效率高，流明效率高等多种特殊的发光性能要求。另外还要具备稳定的物理机械化学性能，如防潮，热稳定性好，不与封装材料、半导体芯片相互作用，良好的承受紫外光子轰击的性能等。1.3.2白光LED荧光粉的合成方法一、溶胶—凝胶法溶胶－凝胶法的化溶胶—凝胶法是一种起于20世纪60年代的制备无机材料的新工艺，是一种有着广阔应用前景的软化学合成方法。学过程首先是将原料分散在溶剂中，然后经过水解反应生成活性单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶，经过干燥和热处理制备出纳米粒子和所需要材料。相对于其他方法，这种方法操作简单容易掌握，产品粒度很小，但原料常用有机溶剂，会对样品造成污染，且产量过低，不易大规模量产；干燥过程中易发生颗粒团聚。二、高温固相法高温固相法是目前为止应用最早的方法，这种生产工艺已经相当成熟，还原剂的使用、在反应条件的控制、助熔剂的选择等方面有极大优势。其主要过程为将一定纯度的原料按一定比例称取相应的质量，然后加入一定量的助熔剂充分研磨混合，在在一定的温度、气氛和保温时间，冷却条件下进行热处理。热处理的温度和时间依实验的具体情况而定，环境气氛视具体材料的物理化学性质而定。但是，在这种方法中，原料是以固相的形式混合进行反应，因而混合的均匀程度和原料的粒度对工艺参数的选定和产物性质有着较为显著的影响。三、燃烧法燃烧法是基于传统高温合成方法发展而来的一种。它是利用相应尿素或肼(燃料剂)和金属硝酸盐(氧化剂)混合物的燃烧反应来合成无机材料。用这种方法制备的LED荧光粉，具有粉体颗粒小、样品合成温度低、组成均匀和降低能耗等优点，是发光材料合成中高效节能合成方法。与此同时在制备产品过程中，会产生大量NH3、N2、CO2以及氮的氧化物和水蒸气等气体，使产物呈现出疏松的泡沫状，另外这些气体具有一定的还原性，能够保护稀土元素不被氧化，这就避免了另外通入还原或惰性气体的步骤，是过程得以简化。燃烧法的优点是合成粉体结晶性好粒度小，适合于多组分粉体的合成；合成温度低时间短，过程简单易行等。但由于燃烧反应过程较剧烈，速度过快，使得反应过程不容易控制，而且合成的粉体颗粒形状不规整；同时反应对设备的要求较高，生产成本大。四、水热法先按化学计量配比称量反应物，然后制备凝胶（这一步需要用到使用沉淀剂），得到的凝胶清洗干净后装入聚四氟乙烯的高压反应釜中，在某一温度下保温一段时间后将产品分离、洗净、干燥，即得到所需荧光粉。水热法合成具有含氧量少、温度低、缺陷少和体系稳定等优点。但它产量过低，不利于大规模商业化生产。五、微乳液法微乳液法是一种制备纳米材料的方法。微乳液的组成包括油相，水相，表面活性剂以及助表面活性剂。表面活性剂用来降低了水油间的表面张力，使水和油能够互溶，从而形成透明的溶液。处在油相中的水核是一个纳米颗粒反应中心。水核的尺寸和形状（一般为球形）决定着合成纳米颗粒的尺寸和形状。水核的尺寸和形状主要由水与表面活性剂的比例所决定。可以通过改变反应过程中的因素来控制微乳液尺寸，进而控制粉体的粒度，这就实现对产物粒子大小的调控，制备出粒度不同的荧光粉材料。但该法在热处理时容易有碳的残留，对其产业化造成很大的阻碍。六、喷雾热解法喷雾热解法可以用来制备微米和亚微米级的发光材料粉体，大致过程是将原料化合物配置成溶液或胶体，再用超声震动转化为气溶胶状的雾滴，在还原性气体或者惰性气体(如N2、N2一H2)将气溶胶状雾滴吹到到高温热解炉中，在几秒钟的时间内，雾滴就会依次发生溶剂蒸发、溶质沉淀、干燥和热解反应，生成疏松的微小粒子，并立即烧结成为微米级粉体。这种方法制备的粉体没有团聚、具有球形形貌，粒径小且分布均匀、粒与粒之间化学成分基本相同。当然这种方法也存在设备昂贵、产物容易形成中空的缺陷。七、沉淀法沉淀法有三种种——非均相沉淀法、均相沉淀和共沉淀。均相沉淀法一般以尿素作为沉淀剂，通过加热生成碳酸根和氢氧根，使阳离子沉淀析出。共沉淀法则以草酸、碳酸氢铵和氨水为主要的沉淀剂。这其中由于当碳酸氢铵作沉淀剂时所制备的粉体分散性更好，因此碳酸氢铵的应用非常广泛。沉淀工艺主要有将沉淀剂滴加到阳离子溶液中即正向共沉淀和把阳离子溶液滴加到溶有沉淀剂的溶液中即反向共沉淀两种。正向共沉淀溶解度小的先沉淀，容易造成成分的不均匀。而反向共沉淀时所有阳离子几乎同时沉淀，这样就能够避免成分不均的情况出现。沉淀法缺点是反应在水溶液中进行，由于水的表面张力比较大，导致制备的粉体容易团聚，因此，颗粒容易发生硬团聚，增加控制粒径的难度。非均相共沉淀法常用于颗粒包覆：通过控制pH值、温度和时间等参数，将要待包覆的粉末制备成悬浊液；然后把包覆材料制备成其溶液；把悬浊液和阳离子溶液混合充分；再加入沉淀剂，使阳离子在待包覆的离子表面沉淀析出；最后经一步热处理，在待包覆的颗粒表面形成致密的包覆膜。目前为止沉淀法是较有希望取代高温固相法进行大规模工业化生产的一种方法。实验部分2.1实验所需设备、耗材2.1.1耗材实验所需耗材如表2.1所示名称状态纯度厂商二氧化硅（SiO2）固态粉末AR分析纯徐州医药股份有限公司碳酸锶（SrCO3）固态粉末AR分析纯国药集团化学试剂有限公司氢氧化铝（Al（OH）3）固态粉末AR分析纯徐州医药股份有限公司氧化铈（CeO2）固态粉末AR分析纯国药集团化学试剂有限公司硼酸（H3BO3）固态粉末AR分析纯徐州医药股份有限公司九水硝酸铝（Al(NO3)39H2O）结晶状固态颗粒AR分析纯汕头市西陇化工厂有限公司硝酸锶（Sr(NO3)2）固态粉末AR分析纯国药集团化学试剂有限公司硝酸（HNO3）水溶液65%-68%徐州科翔化学试剂有限公司无水乙醇（C2H5OH）液态AR分析纯天津永大化学试剂有限公司醋酸铈(III)水合物（(CH3CO2)3CexH2O）固态结晶颗粒AR分析纯上海晶纯生化科技股份有限公司硅酸四乙酯（C8H20O4Si）液体GC气相色谱级上海晶纯生化科技股份有限公司表2.1实验耗材另外需要称量纸、定性滤纸、活性炭、去离子水、无水乙醇、封装袋、标签、一次性橡胶手套、一次性口罩、酒精棉花、保鲜膜、广泛PH试纸若干。2.1.2实验设备实验所需主要设备如表2.2所示设备名称型号厂商箱式炉电热恒温鼓风干燥箱DHG-9076A上海精宏实验设备有限公司恒温磁力搅拌器85-2A金坛市城东新瑞仪器厂电子天平蠕动泵BT-50重庆杰恒蠕动泵有限公司粉末压片机荧光光度计x射线衍射仪D8ADVANCE德国布鲁克公司扫描电镜Quanta250美国FEI表2.2实验所需设备另外还需要玛瑙研钵、石英坩埚（大、小）、药匙、2*4的玻璃片、压片模具、培养皿、烧杯、夹子等辅助工具。2.2实验过程2.2.1固相反应法制备荧光粉（1）改变助溶剂的量用电子天平，按SrAl1.97Si2O8：0.03Ce3+的化学计量比称取相应的SiO2SrCO3、Al（OH）3、CeO2置于玛瑙研钵中（称取四份）；再分别称取xwt%（x=0.2、0.25、0.3、0.35）的助溶剂H3BO3置于玛瑙研钵中，研磨60min。混合均匀之后将这四份混合物置于小石英坩埚之中，外套大坩埚，并在两个坩埚之间放上适量的活性炭。盖上盖子之后置于箱式炉内加热至1000摄氏度，保温四个小时。然后自然冷却到室温后，取出试样用玛瑙研钵研磨成粉，便制备出助溶剂含量不同的四个样品。改变参杂发光中心的量用电子天平，按SrAl2-xSi2O8：xCe3+（x=0.015、0.02、0.025、0.03）的化学计量比称取相应的SiO2、SrCO3、Al（OH）3、CeO2置于玛瑙研钵中，然后对应于四份固体混合物，分别称取3wt%的助溶剂H3BO3置于玛瑙研钵中研磨60min。混合均匀之后将这四份混合物置于小石英坩埚之中，外套大坩埚，并在两个坩埚之间放上适量的活性炭。盖上盖子之后置于箱式炉内加热至1000摄氏度，保温四个小时。然后自然冷却到室温后，取出试样用玛瑙研钵研磨成粉，便制备出助溶剂含量不同的四个样品。2.2.2溶胶凝胶法制备荧光粉量取一定量的硝酸溶液，稀释到PH值为2-3左右，存放备用。量取稀释好的硝酸溶液20毫升和60毫升无水乙醇，倒入烧杯中，在常温下用磁力搅拌器搅拌10min左右，使其充分混合。按Sr1-xAl2Si2O8：xCe3+（x=0.02）的化学配比准确称量相应质量的九水合硝酸铝、硝酸锶、醋酸铈，并倒入装有硝酸和乙醇的烧杯中，并在八十度水浴的加热条件下，搅拌30min。然后停止加热，量取对应量的硅酸四乙酯，用蠕动泵缓慢向烧杯中滴加。之后烧杯在常温下用磁力搅拌器搅拌四个小时，生成固态透明溶胶，如图2.1所示。将装有溶胶的烧杯置于烘箱中，在120度下干燥12小时，生成白色的固体块状如图2.2所示。将块状固体取出于玛瑙研钵中研磨成粉，并将粉末石英坩埚中，外套大坩埚，两个坩埚之间填入活性炭，盖上盖子之后放入箱式炉中加热到700度，保温三个小时。随炉冷却至室温后，取出样品，并于玛瑙研钵中研磨均匀，即得到荧光粉试样。按同样的方法在制备出两个样品，分别在800度和900度下保温三小时。2.3测试与表征2.3.1形貌与成分的表征成分表征将用高温固相法和溶胶凝胶法制备的Sr1-xAl2Si2O8：xCe3+（x=0.02）两个试样，用X射线衍射仪进行表征。测试用X射线衍射仪是德国布鲁克生产的D8ADVANCE型X射线衍射仪。实验的X射线管电压：40kV，电流：30mA；阳极靶材料：Cu靶，Kα辐射；测角仪半径：250mm；狭缝系统:DS(发散狭缝)：0.6mm；SS(防散射狭缝)：8mm；Ni滤片滤除Cu－Kβ射线；检测器开口:2.82度；入射侧与衍射侧索拉狭缝均为2.5度；采样间隔:0.019450（step）；测量范围（2θ）：3～105度（根据不同样品调整）；检测器：林克斯阵列探测器。形貌表征将用高温固相法和溶胶凝胶法制备的Sr1-xAl2Si2O8：xCe3+（x=0.02）两个试样，用扫描电子显微镜在不同的区域，不同的放大倍数下进行形貌观察，并拍下照片。实验电压Hv25.00kv，高真空，拍照模式SE。测试用的扫描电镜采用的是美国飞利浦公司生产的Quanta250型扫描电子显微镜。2.3.1发光性能测试将制备出的所有试样，包括含有不同质量分数助溶剂的四个样品，掺杂稀土元素含量不同的四个样品以及在不同烧结温度下制备出的三个样品，用荧光光度计测试其激发光谱和发射光谱。采用的激发光源为120瓦的Xe灯，狭缝宽度为5纳米，扫描速度为120nm/min。为了方便测试，在测试前需将粉末状试样用粉末压片机压成薄片状，再固定在4*2cm的玻璃片上。鸦片时加压0.2Mpa,保压30s。图2.1搅拌四小时后形成的透明溶胶图2.2干燥12个小时后的样品实验结果分析与结论3.1高温固相法实验结果分析3.1.1成分分析图3.1是硼酸助溶剂的质量分数为3tw%，烧结温度为1000摄氏度，保温四小时制备出的Sr1-xAl2Si2O8：xCe3+（x=0.02）荧光粉的X射线衍射的衍射图。图3.1高温固相法制备的Sr1-xAl2Si2O8：xCe3+（x=0.02）荧光粉XRD图由图可知，这一成分的荧光粉的主要成分数据与国际标准PDFNO.25-1289卡片基本相同，表明这一荧光粉的主晶相为SrAl4O7；另外还存在一定数量的杂峰，对比国际标准PDF卡之后发现，这一相为SiO2；另外，对比国际标准PDF卡NO.46-1215，发现还存在少量的Al2O3杂质，分析可能为实验加入的氢氧化铝加热分解产生的；二氧化硅也是原料的一种。这一结果与预期相差较大，总结产生这一结果的原因可概括为三点：烧结温度过低;原料纯度不够且混合不够均匀；铈离子的取代使得铝硅酸盐的晶格发生变化。但最主要的原因是烧结温度不够，不能使原料中的二氧化硅充分参与反应，很多都被保留了下来。3.1.2形貌分析（a）（b）（c）（d）图3.2高温固相法制备的Sr1-xAl2Si2O8：xCe3+（x=0.02）荧光粉SEM图图3.2显示的是高温固相法制备的Sr1-xAl2Si2O8：xCe3+（x=0.02）荧光粉的扫描电镜观测照片。从图3.2（a）我们可以直观的看出这一实验方法和实验条件下制备出的荧光粉的形貌情况；从（b）、（c）、（d）则可以看出这一试样的粒径分布。可以看出这一试样的粒径主要分布在20—30微米之间，形状规则度不高，但轮廓比较清晰，且未出现团聚现象。但这一粒径的荧光粉并不适合LED的封装，需要一次球磨处理。3.1.3发光性能的分析图3.3和图3.4分别为助溶剂质量分数为3wt%的Sr1-xAl2Si2O8：xCe3+（x=0.02）的激发光谱和发射光谱。图3.3Sr1-xAl2Si2O8：xCe3+（x=0.02）3wt%助溶剂激发光谱由图3.3可以看出，这一试样的激发光谱的峰值大概位于335nm的宽带谱，符合三价铈离子的4f-5d的跃迁对应的特征激发谱。且从图可以看出波长在280到360nm之间的紫外光和近紫外光都可以用来激发该材料，波长在300到350nm之间的紫外光激发的效果要更好。由图3.4可以看出这一试样的发射光谱大概位于400nm附近的紫光区，峰值半高宽大概50nm。这一点与预期的430nm附近的蓝光区有一定的差异。分析其中原因主要是烧结温度的不够，制备出的样品主晶相与预期有差别，使得发光中心没有适合的晶体场环境。图3.5显示的是改变助溶剂硼酸的含量对荧光粉发光性能的影响。荧光粉所含物质为Sr1-xAl2Si2O8：xCe3+（x=0.02），助溶剂的含量分别为2.0wt%、2.5wt%、3.0wt%、3.5wt%，烧结温度为1000度，保温时间4小时。图3.5是将含有不同助溶剂荧光粉的发射光谱的最高峰图3.4Sr1-xAl2Si2O8：xCe3+（x=0.02）3wt%助溶剂发射光谱作为Y轴，将助溶剂的含量作为X轴所作出的曲线图。从