高硅氧玻璃中稀土离子的掺杂量优化和发光性能研究

发布时间：2020-11-01 01:37

【摘要】：功率型白光LED作为新一代绿色照明光源,已经掀起了一个淘汰白炽灯、替代荧光灯,全面进入通用照明领域的高潮。但因它基于LED芯片+黄光荧光粉的工作原理,仍然存在荧光粉热稳定性差、专利壁垒等问题,成为限制整个LED产业发展的瓶颈之一。稀土掺杂高硅氧玻璃相比荧光粉材料热稳定性和化学稳定性优越,采用倒装紫外LED芯片+高硅氧玻璃的封装结构可突破专利封锁,得到空间色度分布均匀的白光LED;且高硅氧玻璃成分与石英玻璃近似,可用于制备特种光纤、改善光纤放大与传输特性。但现有稀土掺杂高硅氧玻璃的发光强度仍需进一步提高,才能满足实际应用需求。稀土掺杂高硅氧玻璃的发光强度主要受稀土离子掺杂量的影响:未发生浓度猝灭时,稀土离子掺杂量越多,高硅氧玻璃发光越强;发生浓度猝灭后,稀土离子掺杂量继续增加,高硅氧玻璃发光强度反而减弱。为提高稀土掺杂高硅氧玻璃的发光强度,需要对稀土离子掺杂量进行优化。但由于缺乏稀土离子掺杂量的定量分析理论,目前通行的优化方法大多通过实验来实现,即通过调节掺杂工艺参数、制备玻璃样品、测试发射光谱等一系列实验,来获得稀土离子掺杂量最优时的工艺参数耗费时间和资源。针对上述问题,论文主要完成了以下几个方面的研究工作:①针对稀土掺杂高硅氧玻璃中稀土离子掺杂量未知的问题,分析了多孔玻璃中稀土离子掺杂的机理,结果表明,高硅氧玻璃中稀土离子掺杂量等于孔隙扩散通量和表面吸附量之和,其中,孔隙扩散的驱动力是浓度梯度,而表面吸附是由表面羟基与稀土离子之间的离子交换造成的;根据稀土离子掺杂机理,结合质量守恒定律,建立了稀土离子掺杂量的理论模型,为掺杂量的定量分析奠定了理论基础。②为了提高高硅氧玻璃中的稀土离子掺杂量,根据高硅氧玻璃中稀土离子掺杂量的理论模型,模拟分析了多孔玻璃中稀土离子的浓度分布、孔隙扩散通量、表面吸附量和稀土离子掺杂量的影响因素,结果表明:高硅氧玻璃中稀土离子掺杂时间主要由多孔玻璃厚度决定;掺杂时间足够长时,稀土离子掺杂量的影响因素按影响力大小排序依次是掺杂溶液浓度、多孔玻璃孔容积和多孔玻璃比表面积;进一步从理论上证明了增加稀土离子掺杂量的最有效方法是提高掺杂溶液中稀土离子浓度。③为了验证稀土离子掺杂量理论模型和影响因素分析的正确性,通过改变掺杂溶液浓度、掺杂时间、多孔玻璃参数和是否共掺Al3+等制备参数,实验制备了具有不同稀土离子掺杂量的高硅氧玻璃样品。采用紫外可见分光光度计测量的吸光度定性验证了掺杂量理论模型和影响因素分析的正确性,得到提高掺杂溶液浓度,可大幅度线性增加高硅氧玻璃中稀土离子的掺杂量;增加掺杂时间和多孔玻璃孔容积也可少量增加稀土离子掺杂量;此外,共掺Al3+会明显减少稀土离子掺杂量。④为了优化高硅氧玻璃中稀土离子的掺杂量,分析了稀土掺杂高硅氧玻璃发光强度的影响因素,得到多孔玻璃制备和烧结参数一致时,高硅氧玻璃的发光强度仅与稀土离子掺杂量有关。分析了Ce3+离子掺杂量对高硅氧玻璃发光性能的影响,得到了Ce3+离子发射光在较短波长390nm时,最优掺杂量约为1.6807×10-6mol/g~1.7812×10-6mol/g;在较长波长418nm时,最优掺杂量约为5.2742×10-6mol/g;少量共掺Al3+可明显提高Ce3+掺杂高硅氧玻璃发光强度。⑤为了使稀土掺杂高硅氧玻璃应用于白光LED,实验制备了不同掺杂比例的Eu2+/Dy3+,Ce3+/Dy3+共掺高硅氧玻璃,分析了两种离子间的能量传递过程,发现Eu2+/Dy3+共掺的掺杂方案由于Dy3+→Eu2+的能量传递,不能实现近白光发射;而Ce3+/Dy3+共掺高硅氧玻璃由于Ce3+→Dy3+的能量传递,可实现近白光发射。以Ce3+/Dy3+共掺样品为例,结合荧光分光光度计的测量结果,模拟分析了以LED芯片为激发光源时,中心波长和带宽的变化对高硅氧玻璃发光性能的影响,得到了Ce3+/Dy3+共掺高硅氧玻璃应用于白光LED时,为保证出射光颜色的稳定性,芯片中心波长和带宽的选取范围。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ171.1
【文章目录】：
中文摘要
英文摘要
1 绪论
    1.1 课题背景
    1.2 稀土掺杂高硅氧玻璃的制备工艺及发光强度
        1.2.1 稀土掺杂高硅氧玻璃的制备工艺
        1.2.2 稀土掺杂高硅氧玻璃发光强度的影响因素
    1.3 稀土离子掺杂工艺优化的国内外现状
        1.3.1 稀土掺杂高硅氧玻璃发光强度的研究现状
        1.3.2 高硅氧玻璃中稀土离子掺杂量的研究现状
    1.4 本文要解决的问题和主要研究内容
2 高硅氧玻璃中稀土离子掺杂量的理论模型
    2.1 吸附的基本原理
        2.1.1 吸附的概念
        2.1.2 固液吸附的原理
    2.2 扩散的基本原理
        2.2.1 扩散的概念
        2.2.2 多孔介质中的分子扩散原理
    2.3 多孔玻璃中稀土离子掺杂机理分析
    2.4 稀土离子表面吸附的机理分析
    2.5 稀土离子孔隙扩散的机理分析
    2.6 稀土离子掺杂量的理论模型
    2.7 稀土离子掺杂量的定量分析
    2.8 本章小结
3 稀土离子掺杂量影响因素的理论分析
    3.1 稀土离子浓度分布的影响因素分析
        3.1.1 稀土离子浓度分布的定量分析
        3.1.2 稀土离子浓度分布的影响因素分析
    3.2 稀土离子孔隙扩散通量的影响因素分析
        3.2.1 稀土离子孔隙扩散通量的定量分析
        3.2.2 稀土离子孔隙扩散通量的影响因素分析
    3.3 稀土离子表面吸附量的影响因素分析
        3.3.1 稀土离子表面吸附量的范围
        3.3.2 稀土离子表面吸附量的定量分析
        3.3.3 稀土离子表面吸附量的影响因素分析
    3.4 稀土离子掺杂量的影响因素分析
    3.5 本章小结
4 稀土离子掺杂量影响因素的实验研究
    4.1 稀土离子掺杂量的实验测试方法选择
        4.1.1 稀土离子溶液浓度变化测试
        4.1.2 多孔玻璃中稀土离子掺杂量测试
    4.2 多孔玻璃参数测试
        4.2.1 比表面积和孔容积
        4.2.2 表面羟基浓度
        4.2.3 曲折因子
    4.3 掺杂溶液浓度对稀土离子掺杂量的影响
^{3+
浓度对掺杂量的影响'>        4.3.1 Ce
3+
浓度对掺杂量的影响
3+}浓度对掺杂量的影响'>        4.3.2 Sm³⁺浓度对掺杂量的影响
    4.4 掺杂时间对稀土离子掺杂量的影响
    4.5 多孔参数对稀土离子掺杂量的影响
3+浓度对稀土离子掺杂量的影响'>    4.6 Al³⁺浓度对稀土离子掺杂量的影响
    4.7 本章小结
5 高硅氧玻璃中单掺稀土离子掺杂量的优化和发光性能研究
    5.1 稀土掺杂高硅氧玻璃发光强度的影响因素分析
    5.2 高硅氧玻璃中稀土离子的离子间距离
3+掺杂量的优化和发光性能研究'>    5.3 Ce³⁺掺杂量的优化和发光性能研究
        5.3.1 掺杂溶液浓度不同
        5.3.2 掺杂时间不同
3+含量不同'>        5.3.3 Al³⁺含量不同
        5.3.4 稀土掺杂多孔玻璃的烧结机理分析
3+掺杂量的优化和发光性能研究'>    5.4 Sm³⁺掺杂量的优化和发光性能研究
3+掺杂量对发射光谱的影响'>        5.4.1 Sm³⁺掺杂量对发射光谱的影响
3+掺杂量对荧光寿命的影响'>        5.4.2 Sm³⁺掺杂量对荧光寿命的影响
    5.5 本章小结
6 白光高硅氧玻璃发光性能研究
    6.1 高硅氧玻璃实现白光的掺杂方案选择
3+共掺高硅氧玻璃的发光性能研究'>    6.2 Eu2+/Dy³⁺共掺高硅氧玻璃的发光性能研究
3+之间的能量传递'>        6.2.1 高硅氧玻璃中Eu2+、Dy³⁺之间的能量传递
3+共掺高硅氧玻璃的发光性能研究'>        6.2.2 Eu2+/Dy³⁺共掺高硅氧玻璃的发光性能研究
3+/Dy³⁺共掺高硅氧玻璃的发光性能研究'>    6.3 Ce³⁺/Dy³⁺共掺高硅氧玻璃的发光性能研究
3+、Dy³⁺之间的能量传递'>        6.3.1 高硅氧玻璃中Ce³⁺、Dy³⁺之间的能量传递
3+/Dy³⁺共掺高硅氧玻璃的发光性能研究'>        6.3.2 Ce³⁺/Dy³⁺共掺高硅氧玻璃的发光性能研究
3+/Dy³⁺共掺高硅氧玻璃发光性能的影响'>    6.4 激发波长和带宽对Ce³⁺/Dy³⁺共掺高硅氧玻璃发光性能的影响
        6.4.1 LED芯片光谱的计算模型
        6.4.2 激发光波长的影响
        6.4.3 激发光带宽的影响
    6.5 本章小结
7 结论与展望
    7.1 结论
    7.2 创新点
    7.3 后续工作展望
致谢
参考文献
附录
    A. 攻读博士学位期间发表的论文
    B. 科研工作

【参考文献】

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