用等离子体提高LED荧光体光合作用光谱强度的方法转让专利
申请号 : CN201110283357.1
文献号 : CN102382648B
文献日 : 2013-03-20
发明人 : 陆启飞 , 蔡毅 , 王达健 , 仇坤 , 王鹏 , 于文慧
申请人 : 天津理工大学
摘要 :
一种用等离子体提高LED荧光体光合作用光谱强度的方法，采用金属表面等离子体效应来实现，即采用发射蓝紫光的光源，蓝紫光辐照金属薄膜产生表面等离子体效应，与荧光体的发射光子相互作用，使荧光体发射的光合作用光谱强度增强，步骤如下：1)将玻璃基底放入溅射腔中，对金属靶材进行溅射沉积，然后在氮气中进行热处理，制得岛状的金属纳米薄膜；2)将LED荧光体分散在分散剂中形成荧光体溶液，再将其旋涂在置于匀胶机上的制备了金属纳米膜的玻璃基底上，制得荧光体/Ag的发光体系。本发明的优点是：工艺简单、成本低廉，可同时增强该荧光体的红蓝双光，而且发光的增强比例可通过金属的溅射时间来控制；易于实施，有利于推广应用。
权利要求 :
1.一种用等离子体提高LED荧光体光合作用光谱强度的方法，其特征在于：采用发射蓝紫光的光源，蓝紫光辐照金属薄膜产生表面等离子体效应，与荧光体的发射光子相互作用，使荧光体发射的光合作用光谱强度增强，具体步骤如下：
1) 将玻璃基底放入溅射腔中，腔内气压小于2 Pa，通入氩气为保护气体，气流为2.5 l/min，通入氩气后腔内气压维持在2.8 Pa，对纯度为99.99%的Ag靶材进行溅射沉积，溅射电流为4 mA、溅射时间为20 -200 s，然后在纯度为99.99%的氮气气氛中进行热处理，即可制得岛状的金属纳米薄膜，热处理温度为100-300 ℃、热处理时间为10-30 mins，金属纳米薄膜的厚度为12-80 nm；
2) 将LED荧光体均匀分散在分散剂中形成荧光体溶液，超声半小时后将该荧光体溶液旋涂在置于匀胶机上的上述制备了金属纳米膜的玻璃基底上，匀胶机转速为1400转/分钟，运转时间为20-60 s，即可制得荧光体/Ag的发光体系，所述LED荧光体为稀土离子激
2+ 2+
活的含镁硅酸盐发光材料，其化学式为Ba3MgSi2O8: Eu , Mn ，该荧光体能发射光合作用光子，构成的光合作用光谱中包含的特征峰值波长为440-460 nm的蓝光和610-660 nm的红光，所述分散剂为酒精或聚甲基丙烯酸甲酯，LED荧光体与分散剂的用量比为0.1g/10ml。
说明书 :
用等离子体提高LED荧光体光合作用光谱强度的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光电材料与器件领域，特别是一种用等离子体提高LED荧光体光合作用光谱强度的方法。【背景技术】
[0002] 植物都需要阳光的照射才能生长的更加茂盛。不同波长的光线对于植物光合作用的影响是不同的，植物光合作用需要的光线波长在400-700nm左右。400-500nm(蓝光)以及610-720nm(红光)对于光合作用贡献最大，称为光合作用光谱。自从蓝光二极管芯片发明以来，以蓝光和红光LED成阵列组合的植物生长固态光源在节能、使用寿命和紧凑型体积结构方面都比传统荧光灯有了很大的优越性。然而同时也存在着问题，现在的商业红光LED波长范围在580纳米至610纳米范围，实际上不在特征光合作用光谱范围内；采用蓝光LED激发稀土纯氮化物产生光合作用光谱的方案，由于红光发光材料制备成本高，难以大规模应用；固态二极管封装用的荧光体不是单基质而是混粉，在使用大功率芯片作为结构单元时将会遇到颜色混合均匀性的障碍，并目混合粉之间存在颜色再吸收和配比调控问题，发光效率受到很大的影响。而我们制备的单基质的稀土离子激活的含镁硅酸盐发光材料，恰好可以覆盖对植物光合作用有着重要意义的蓝、红光区域。虽然其效率已经很高，但高效节能的LED一直是人们追求的目标，所以人们采用了各种方法来增强荧光体发光强度。而金属表面等离子体荧光增强效应的研究是最近十年新兴起的研究领域，当电磁波在金属和电介质介面上沿一个方向平行地传播时，金属表面的自由电子在一定频率的外界电磁场作用下规则运动而产生表面等离子体共振，这种共振可极大地增强金属粒子周围的电磁场，这种表面局域电磁场的增强使靠近金属表面的发光中心的激发效率提高，导致荧光增强效应的产生。近年来，人们已经开始尝试利用这种方法来增强半导体材料和器件发光效率。因此表面等离子体荧光增强效应为增强荧光体(粉，薄膜以及体材)的发光强度的研究带来了机遇，也拓展了金属增强荧光效应的应用范围。【发明内容】
[0003] 本发明的目的是针对上述技术分析，提供一种用等离子体提高LED荧光体光合作用光谱强度的方法，本发明工艺简单、成本低廉，可同时增强该荧光体的红蓝双光，而且发光的增强比例可通过金属的溅射时间来控制；易于实施且成本低廉，有利于推广应用。
[0004] 本发明的技术方案：
[0005] 一种用等离子体提高LED荧光体光合作用光谱强度的方法，为采用金属表面等离子体效应来提高LED荧光体光合作用光谱强度的方法。
[0006] 所述采用金属表面等离子体效应来提高LED荧光体光合作用光谱强度的方法，采用发射蓝紫光的光源，蓝紫光辐照金属薄膜产生表面等离子体效应，与荧光体的发射光子相互作用，使荧光体发射的光合作用光谱强度增强，具体步骤如下：
[0007] 1)将玻璃基底放入溅射腔中，腔内气压小于2Pa，通入氩气为保护气体，气流为2.5l/min，通入氩气后腔内气压维持在2.8Pa，对金属靶材进行溅射沉积，溅射电流为4mA、溅射时间为20-200s，然后在纯度为99.99％的氮气气氛中进行热处理，即可制得岛状的金属纳米薄膜，热处理温度为100-300℃、热处理时间为10-30mins，金属纳米薄膜的厚度为
12-80nm；
12-80nm；
[0008] 2)将LED荧光体均匀分散在分散剂中形成荧光体溶液，超声半小时后将该荧光体溶液旋涂在置于匀胶机上的上述制备了金属纳米膜的玻璃基底上，匀胶机转速为1400转/分钟，运转时间为20-60s，即可制得荧光体/Ag的发光体系。
[0009] 所述金属靶材为纯度为99.99％的Ag靶材。
[0010] 所述LED荧光体为稀土离子激活的含镁硅酸盐发光材料，其化学式为2+ 2+
Ba3MgSi2O8:Eu ，Mn (BMS-EM)，该荧光体能发射光合作用光子，构成的光合作用光谱中包含的特征峰值波长为440-460nm的蓝光和610-660nm的红光。
Ba3MgSi2O8:Eu ，Mn (BMS-EM)，该荧光体能发射光合作用光子，构成的光合作用光谱中包含的特征峰值波长为440-460nm的蓝光和610-660nm的红光。
[0011] 所述分散剂为酒精或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，LED荧光体与分散剂的用量比为0.1g/10ml.
[0012] 本发明的机理分析：在光源的激发下，激发态的Eu2+离子与银岛膜在近场的相互作用下形成了局域表面等离子体。当金属局域表面等离子体的共振峰与荧光体的发射峰相匹配的时候，将会发生表面等离子体共振耦合。这种共振可极大地增强金属粒子周围的电2+ 6 1 7
磁场，使得Eu 的激发效率提高，进而使得的4f5d →4f 的辐射跃迁几率增加。而红光发
2+ 1 1
射是通过Eu 的蓝光发光中心的无辐射共振能量传递促使4T →6A 跃迁发射，所以蓝光的光子能量的增强也促使了红光的发光强度有所增强，最终导致了红蓝双光的增强。
磁场，使得Eu 的激发效率提高，进而使得的4f5d →4f 的辐射跃迁几率增加。而红光发
2+ 1 1
射是通过Eu 的蓝光发光中心的无辐射共振能量传递促使4T →6A 跃迁发射，所以蓝光的光子能量的增强也促使了红光的发光强度有所增强，最终导致了红蓝双光的增强。
[0013] 本发明的优点是：本发明工艺简单、成本低廉，该方法制备的发光体系可以使得荧光体的发光强度增强，而且可同时增强该荧光体的红蓝双光，蓝光和红光的强度可分别增加1.5倍，1.45倍，同时发光的增强比例可通过金属的溅射时间来控制；易于实施且成本低廉，有利于推广应用。【附图说明】
[0014] 图1是该发光体系的结构、激发和探测的示意图。
[0015] 图2是不同厚度的岛状银纳米膜的吸收光谱图以及350nm激发下荧光体的发射光谱图。
[0016] 图3是350nm激发下岛状银纳米膜作用前后的荧光体的发射光谱图。
[0017] 图4为不同厚度岛状银纳米膜作用下的红光和蓝光的增强比例图。【具体实施方式】
[0018] 以下结合附图进一步说明本发明。参照图1，整个发光体系自下而上包括玻璃基底、银纳米粒子和荧光体层三个部分。
[0019] 实施例1：
[0020] 一种用等离子体提高LED荧光体光合作用光谱强度的方法，采用金属表面等离子体效应来提高LED荧光体光合作用光谱强度，步骤如下：
[0021] 1)将玻璃基底放入溅射腔中，腔内气压抽至2Pa以下，此时通入氩气为保护气体，气流为2.5l/min，腔内气压维持在2.8Pa，以纯度为99.99％的银为靶材溅射，进行溅射沉积。溅射电流为4mA，溅射时间选为40s，银膜厚度为12nm，之后在纯度为99.99％的氮气气氛中进行热处理后得到岛状的银纳米膜，热处理温度为200℃、时间为21mins；
[0022] 2)将Ba3MgSi2O8:Eu2+，Mn2+均匀分散在酒精或PMMA中，超声半小时，将已经制备银纳米膜的玻璃基底放在匀胶机上，取上述制备好的荧光粉溶液进行旋涂，匀胶机转速为1400转/min，运转时间为30s，即可制得荧光体/Ag的发光体系。
[0023] 实施例2：
[0024] 步骤同实施例1，区别在于溅射时间为60s，银膜厚度为20nm。
[0025] 实施例3：
[0026] 步骤同实施例1，区别在于溅射时间为90s，银膜厚度为50nm。
[0027] 实施例4：
[0028] 步骤同实施例1，区别在于溅射时间为120s，银膜厚度为65nm。
[0029] 实施例5：
[0030] 步骤同实施例1，区别在于溅射时间为160s，银膜厚度为80nm。
[0031] 图2给出了不同厚度的岛状银纳米膜的吸收光谱图以及350nm激发下荧光体的发射光谱图。它说明了银的吸收光谱和荧光粉发射光谱之间的关系。
[0032] 图3给出了350nm激发下银岛膜作用前后的荧光粉的发射光谱和不同厚度银岛膜作用下的红光和蓝光的增强比例图。由图可见，银纳米厚度在12到80nm范围内，热处理后，在50nm银纳米膜作用下，蓝光的强度最多增强1.5倍，红光的强度增强1.45倍。说明只有当银的LSP的共振峰(也就是吸收峰位)与荧光粉的发射峰相匹配和银纳米颗粒的尺寸相对较大时，才能使荧光粉的发射强度增强。