【摘要】：功率型白光LED作為新一代綠色照明光源,已經掀起了一個淘汰白熾燈、替代熒光燈,全面進入通用照明領域的高潮。但因它基于LED芯片+黃光熒光粉的工作原理,仍然存在熒光粉熱穩(wěn)定性差、專利壁壘等問題,成為限制整個LED產業(yè)發(fā)展的瓶頸之一。稀土摻雜高硅氧玻璃相比熒光粉材料熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性優(yōu)越,采用倒裝紫外LED芯片+高硅氧玻璃的封裝結構可突破專利封鎖,得到空間色度分布均勻的白光LED;且高硅氧玻璃成分與石英玻璃近似,可用于制備特種光纖、改善光纖放大與傳輸特性。但現(xiàn)有稀土摻雜高硅氧玻璃的發(fā)光強度仍需進一步提高,才能滿足實際應用需求。稀土摻雜高硅氧玻璃的發(fā)光強度主要受稀土離子摻雜量的影響:未發(fā)生濃度猝滅時,稀土離子摻雜量越多,高硅氧玻璃發(fā)光越強;發(fā)生濃度猝滅后,稀土離子摻雜量繼續(xù)增加,高硅氧玻璃發(fā)光強度反而減弱。為提高稀土摻雜高硅氧玻璃的發(fā)光強度,需要對稀土離子摻雜量進行優(yōu)化。但由于缺乏稀土離子摻雜量的定量分析理論,目前通行的優(yōu)化方法大多通過實驗來實現(xiàn),即通過調節(jié)摻雜工藝參數、制備玻璃樣品、測試發(fā)射光譜等一系列實驗,來獲得稀土離子摻雜量最優(yōu)時的工藝參數耗費時間和資源。針對上述問題,論文主要完成了以下幾個方面的研究工作:①針對稀土摻雜高硅氧玻璃中稀土離子摻雜量未知的問題,分析了多孔玻璃中稀土離子摻雜的機理,結果表明,高硅氧玻璃中稀土離子摻雜量等于孔隙擴散通量和表面吸附量之和,其中,孔隙擴散的驅動力是濃度梯度,而表面吸附是由表面羥基與稀土離子之間的離子交換造成的;根據稀土離子摻雜機理,結合質量守恒定律,建立了稀土離子摻雜量的理論模型,為摻雜量的定量分析奠定了理論基礎。②為了提高高硅氧玻璃中的稀土離子摻雜量,根據高硅氧玻璃中稀土離子摻雜量的理論模型,模擬分析了多孔玻璃中稀土離子的濃度分布、孔隙擴散通量、表面吸附量和稀土離子摻雜量的影響因素,結果表明:高硅氧玻璃中稀土離子摻雜時間主要由多孔玻璃厚度決定;摻雜時間足夠長時,稀土離子摻雜量的影響因素按影響力大小排序依次是摻雜溶液濃度、多孔玻璃孔容積和多孔玻璃比表面積;進一步從理論上證明了增加稀土離子摻雜量的最有效方法是提高摻雜溶液中稀土離子濃度。③為了驗證稀土離子摻雜量理論模型和影響因素分析的正確性,通過改變摻雜溶液濃度、摻雜時間、多孔玻璃參數和是否共摻Al3+等制備參數,實驗制備了具有不同稀土離子摻雜量的高硅氧玻璃樣品。采用紫外可見分光光度計測量的吸光度定性驗證了摻雜量理論模型和影響因素分析的正確性,得到提高摻雜溶液濃度,可大幅度線性增加高硅氧玻璃中稀土離子的摻雜量;增加摻雜時間和多孔玻璃孔容積也可少量增加稀土離子摻雜量;此外,共摻Al3+會明顯減少稀土離子摻雜量。④為了優(yōu)化高硅氧玻璃中稀土離子的摻雜量,分析了稀土摻雜高硅氧玻璃發(fā)光強度的影響因素,得到多孔玻璃制備和燒結參數一致時,高硅氧玻璃的發(fā)光強度僅與稀土離子摻雜量有關。分析了Ce3+離子摻雜量對高硅氧玻璃發(fā)光性能的影響,得到了Ce3+離子發(fā)射光在較短波長390nm時,最優(yōu)摻雜量約為1.6807×10-6mol/g~1.7812×10-6mol/g;在較長波長418nm時,最優(yōu)摻雜量約為5.2742×10-6mol/g;少量共摻Al3+可明顯提高Ce3+摻雜高硅氧玻璃發(fā)光強度。⑤為了使稀土摻雜高硅氧玻璃應用于白光LED,實驗制備了不同摻雜比例的Eu2+/Dy3+,Ce3+/Dy3+共摻高硅氧玻璃,分析了兩種離子間的能量傳遞過程,發(fā)現(xiàn)Eu2+/Dy3+共摻的摻雜方案由于Dy3+→Eu2+的能量傳遞,不能實現(xiàn)近白光發(fā)射;而Ce3+/Dy3+共摻高硅氧玻璃由于Ce3+→Dy3+的能量傳遞,可實現(xiàn)近白光發(fā)射。以Ce3+/Dy3+共摻樣品為例,結合熒光分光光度計的測量結果,模擬分析了以LED芯片為激發(fā)光源時,中心波長和帶寬的變化對高硅氧玻璃發(fā)光性能的影響,得到了Ce3+/Dy3+共摻高硅氧玻璃應用于白光LED時,為保證出射光顏色的穩(wěn)定性,芯片中心波長和帶寬的選取范圍。
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TQ171.1
【文章目錄】：
中文摘要
英文摘要
1 緒論
    1.1 課題背景
    1.2 稀土摻雜高硅氧玻璃的制備工藝及發(fā)光強度
        1.2.1 稀土摻雜高硅氧玻璃的制備工藝
        1.2.2 稀土摻雜高硅氧玻璃發(fā)光強度的影響因素
    1.3 稀土離子摻雜工藝優(yōu)化的國內外現(xiàn)狀
        1.3.1 稀土摻雜高硅氧玻璃發(fā)光強度的研究現(xiàn)狀
        1.3.2 高硅氧玻璃中稀土離子摻雜量的研究現(xiàn)狀
    1.4 本文要解決的問題和主要研究內容
2 高硅氧玻璃中稀土離子摻雜量的理論模型
    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 擴散的基本原理
        2.2.1 擴散的概念
        2.2.2 多孔介質中的分子擴散原理
    2.3 多孔玻璃中稀土離子摻雜機理分析
    2.4 稀土離子表面吸附的機理分析
    2.5 稀土離子孔隙擴散的機理分析
    2.6 稀土離子摻雜量的理論模型
    2.7 稀土離子摻雜量的定量分析
    2.8 本章小結
3 稀土離子摻雜量影響因素的理論分析
    3.1 稀土離子濃度分布的影響因素分析
        3.1.1 稀土離子濃度分布的定量分析
        3.1.2 稀土離子濃度分布的影響因素分析
    3.2 稀土離子孔隙擴散通量的影響因素分析
        3.2.1 稀土離子孔隙擴散通量的定量分析
        3.2.2 稀土離子孔隙擴散通量的影響因素分析
    3.3 稀土離子表面吸附量的影響因素分析
        3.3.1 稀土離子表面吸附量的范圍
        3.3.2 稀土離子表面吸附量的定量分析
        3.3.3 稀土離子表面吸附量的影響因素分析
    3.4 稀土離子摻雜量的影響因素分析
    3.5 本章小結
4 稀土離子摻雜量影響因素的實驗研究
    4.1 稀土離子摻雜量的實驗測試方法選擇
        4.1.1 稀土離子溶液濃度變化測試
        4.1.2 多孔玻璃中稀土離子摻雜量測試
    4.2 多孔玻璃參數測試
        4.2.1 比表面積和孔容積
        4.2.2 表面羥基濃度
        4.2.3 曲折因子
    4.3 摻雜溶液濃度對稀土離子摻雜量的影響
^{3+
濃度對摻雜量的影響'>        4.3.1 Ce
3+
濃度對摻雜量的影響
3+}濃度對摻雜量的影響'>        4.3.2 Sm³⁺濃度對摻雜量的影響
    4.4 摻雜時間對稀土離子摻雜量的影響
    4.5 多孔參數對稀土離子摻雜量的影響
3+濃度對稀土離子摻雜量的影響'>    4.6 Al³⁺濃度對稀土離子摻雜量的影響
    4.7 本章小結
5 高硅氧玻璃中單摻稀土離子摻雜量的優(yōu)化和發(fā)光性能研究
    5.1 稀土摻雜高硅氧玻璃發(fā)光強度的影響因素分析
    5.2 高硅氧玻璃中稀土離子的離子間距離
3+摻雜量的優(yōu)化和發(fā)光性能研究'>    5.3 Ce³⁺摻雜量的優(yōu)化和發(fā)光性能研究
        5.3.1 摻雜溶液濃度不同
        5.3.2 摻雜時間不同
3+含量不同'>        5.3.3 Al³⁺含量不同
        5.3.4 稀土摻雜多孔玻璃的燒結機理分析
3+摻雜量的優(yōu)化和發(fā)光性能研究'>    5.4 Sm³⁺摻雜量的優(yōu)化和發(fā)光性能研究
3+摻雜量對發(fā)射光譜的影響'>        5.4.1 Sm³⁺摻雜量對發(fā)射光譜的影響
3+摻雜量對熒光壽命的影響'>        5.4.2 Sm³⁺摻雜量對熒光壽命的影響
    5.5 本章小結
6 白光高硅氧玻璃發(fā)光性能研究
    6.1 高硅氧玻璃實現(xiàn)白光的摻雜方案選擇
3+共摻高硅氧玻璃的發(fā)光性能研究'>    6.2 Eu2+/Dy³⁺共摻高硅氧玻璃的發(fā)光性能研究
3+之間的能量傳遞'>        6.2.1 高硅氧玻璃中Eu2+、Dy³⁺之間的能量傳遞
3+共摻高硅氧玻璃的發(fā)光性能研究'>        6.2.2 Eu2+/Dy³⁺共摻高硅氧玻璃的發(fā)光性能研究
3+/Dy³⁺共摻高硅氧玻璃的發(fā)光性能研究'>    6.3 Ce³⁺/Dy³⁺共摻高硅氧玻璃的發(fā)光性能研究
3+、Dy³⁺之間的能量傳遞'>        6.3.1 高硅氧玻璃中Ce³⁺、Dy³⁺之間的能量傳遞
3+/Dy³⁺共摻高硅氧玻璃的發(fā)光性能研究'>        6.3.2 Ce³⁺/Dy³⁺共摻高硅氧玻璃的發(fā)光性能研究
3+/Dy³⁺共摻高硅氧玻璃發(fā)光性能的影響'>    6.4 激發(fā)波長和帶寬對Ce³⁺/Dy³⁺共摻高硅氧玻璃發(fā)光性能的影響
        6.4.1 LED芯片光譜的計算模型
        6.4.2 激發(fā)光波長的影響
        6.4.3 激發(fā)光帶寬的影響
    6.5 本章小結
7 結論與展望
    7.1 結論
    7.2 創(chuàng)新點
    7.3 后續(xù)工作展望
致謝
參考文獻
附錄
    A. 攻讀博士學位期間發(fā)表的論文
    B. 科研工作

【參考文獻】

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本文編號：2864826