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白光LED用稀土离子/过渡金属离子掺杂YAG单晶的制备及光学性能研究

作　者: 张志敏
导　师: 向卫东
学　校: 温州大学
专　业: 应用化学
关键词: 白光LED 稀土离子/过渡金属离子 YAG单晶光学性能
分类号: TN312.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

白色发光二极管（White Light Emitting Diode，简称W-LED)是一种新型固态光源，具备无污染、高效率、长寿命、响应速度快等优点”。由于其满足“绿色照明节能与环保的要求，近年来在世界各国政策推动下发展迅速，应用范围不断拓宽，在不久的未来将逐步代替白炽灯和荧光灯成为“第四代照明光源”。荧光材料是白光LED制备的一项关键技术，其性能和封装方法直接影响到整个白光LED器件的光电性能。因此，开展对白光LED用荧光材料的研究具有十分重要的现实意义和广阔的应用前景。本文采用提拉法生长了Ce:YAG单晶和Ce,Mn:YAG系列单晶，利用X射线衍射（XRD)、荧光光谱、吸收光谱等测试手段表征了稀土/过渡金属元素掺杂钇铝石榴石系列单晶的性能，侧重分析了晶体的光学性能、发光机理和掺杂离子的最佳掺杂浓度及掺杂比例。晶体经切割、抛光等工序后封装成白光LED进行光电性能综合测试，此外对比了不同封装工艺对白光LED的影响。(1)着重解决原料的单相合成问题和单晶生长技术，摸索出一套稳定可靠的晶体生长工艺。本文中采用<111>方向的籽晶提拉晶体，通过选择合适的温场、调整生长气氛、晶体的提拉速度和转速等工艺参数，生长出直径约为少30mm的晶体，并对制备的晶体材料进行结晶质量分析。实验结果表明，稀土离子/过渡金属离子的掺杂并未改变YAG的晶相，米用提拉法制备的样品质量较好，结晶度尚。(2)Ce:YAG和Ce,Mn:YAG系列单晶的吸收光谱表明，文中制备的所有单晶都能被460nm波长的蓝光有效激发，可与蓝光芯片匹配制备较为理想的白光LED。YAG系列单晶的发射光谱通常可由多处发射峰复合而成，其发光中心对应于掺杂离子的特征发射及相应的能级间跃迁。相对于Ce:YAG单晶，Mn离子的掺入起到了增加发光中心，扩大半高峰宽使发光峰红移的作用。(3)对不同掺杂浓度Ce,Mn:YAG单晶的光学性能进行了研究分析，发现YAG基质中Mn与Ce离子的摩尔比为2:1时是最优掺杂比例，Ce,Mn:YAG单晶中最佳的铈和锰掺杂浓度为CeO.93%，MnO.72%。但值得注意的是，元素掺杂比例跟掺杂浓度并没有直接关系，理想的荧光材料需在恰当的掺杂浓度上选择合适的掺杂比例。文中所制备光学性能最好的晶体为Ceao28Mn:YAG，aQ36单晶，在20mA电流驱动下，0.5mm厚度该晶片封装的LED器件光效最高值可达到114.7691m/W，已达到白光LED领域的行业标准，可直接应用于日常生产生活。(4)开展对LED器件封装工艺的研究工作，探讨了LED支架、AB胶、晶片厚度、离子掺杂浓度等因素对晶片封装LED器件光电性能的影响，并根据测试结果优化影响因素的组合方式。研究发现，通过改变驱动电流及晶片厚度可以实现对LED器件光电性能的调节，0.5mm厚度的钇铝石榴石系列单晶与文中所用LED蓝光芯片匹配较好。此外，本文还对单晶的生长成本进行分析，为晶片封装LED器件的工业化生产提供一定参考。

白光LED用稀土离子/过渡金属离子掺杂YAG单晶的制备及光学性能研究

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