一种锰掺杂微球形荧光粉及其制备方法转让专利

申请号 : CN202110012349.7

文献号 : CN112795382B

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法律信息:

相似专利:

发明人 : 乔旭升樊先平何梦婷章伟

申请人 : 浙江大学

摘要 :

本发明公开一种四价锰掺杂微球形荧光粉及其制备方法,该荧光粉的化学式为Ca1‑xYxAl12‑y‑zGeyO19+x/2+y/2+z/2:zMn4+,x=0~1,y=0~1.2,z=0~0.12;得到的荧光粉是微球形结构,其中,Ca1‑xYxAl12‑y‑zGeyO19+x/2+y/2+z/2:zMn4+以CaCl2、YCl3·6H2O、AlCl3·6H2O、GeO2、氨水、MnCl2为原料,在合适的水醇比下,采用环氧丙烷驱动的溶胶‑凝胶法制备得到前驱体微球,经后续氧气气氛高温热处理制得红色Ca1‑xYxAl12‑y‑zGeyO19+x/2+y/2+z/2:zMn4+荧光微球。所发明的球形荧光粉形貌规整、单分散性好、发光性能优异,可以配合紫外LED芯片和绿色、蓝色荧光粉应用于白光LED照明。

权利要求 :

1.一种锰掺杂微球形荧光粉,其特征在于,所述荧光粉的尺度为1~3μm,所述荧光粉的

4+

化学式为Ca1‑xYxAl12‑y‑zGeyO19+x/2+y/2+z/2:zMn ,其中:x=0.25~0.75,y=0.24~1.2,z=

0.012~0.12。

2.一种如权利要求1所述锰掺杂微球形荧光粉的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:

(1)取0~0.3g GeO2和3~5ml氨水,于60~80℃加热、磁力搅拌4~6h,配成溶液A;称取5~6g AlCl3·6H2O、0~0.4gYCl3·6H2O、0.05g~0.2gCaCl2、0.0006g MnCl2,然后加入3~

4mL去离子水,7~8mL无水乙醇,磁力搅拌3~5h,配成溶液B;将溶液B完全转移至溶液A中形成混合溶液;

(2)在混合溶液或者直接在溶液B加入0~1g柠檬酸、2~3mL甲酰胺,然后在25~35℃下进行搅拌,在搅拌过程中注入12~15mL的环氧丙烷,继续搅拌1~2分钟,停止搅拌后静置5~7分钟,得到乳白色凝胶,干燥获得非晶态前驱体;

(3)将步骤(2)制得的前驱体平铺于氧化铝烧舟中,随后置于管式炉中升温至1100~

1400℃,在氧气氧化性气氛中保温热处理4~6小时;待热处理程序结束后,随炉冷却,取出

4+

产物,得到微球形Ca1‑xYxAl12‑y‑zGeyO19+x/2+y/2+z/2:zMn 荧光粉。

3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中,干燥操作具体为:将得到的乳白色凝胶于70~90℃条件下干燥10~15小时。

说明书 :

一种锰掺杂微球形荧光粉及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种过渡金属元素掺杂的铝酸盐荧光粉及其制备方法,即一种Ca1‑4+
xYxAl12‑y‑zGeyO19+x/2+y/2+z/2:zMn ,x=0~1,y=0~1.2,z=0~0.12微球形荧光粉及其制备
方法。

背景技术

[0002] 四价锰离子(Mn4+)掺杂的红色发光铝酸盐荧光粉由于发射谱有明显的窄带特征,在LED照明和显示领域应用广泛。这种荧光粉大多数采用传统的高温固相法来制备,但是,
这种方法有明显的弊端:一是制备过程需要很高的烧结温度和长时间的热处理,烧结能耗
高;二是产物得到的粗大颗粒或者密实的块体,需要经过球磨粉碎才能获得微米尺寸的颗
粒,易引入杂质,最终产物形状不规则,粒径分布宽。采用环氧丙烷驱动的快速溶胶‑凝胶的
方法获得的荧光粉具有球形形貌规则、单分散性好、易于实现过渡金属元素均匀分布的优
点。因此,可以采用环氧丙烷驱动的快速溶胶‑凝胶的方法来克服上述高温固相法的缺点。
[0003] 影响Mn4+掺杂荧光粉的因素主要有配位环境化学键的共价性、格位的电荷是否平4+
衡、格位的晶体学对称性等。配位环境的共价性越强,Mn 红光发射波长越长,接近深红色;
4+
反之,离子性越强的环境Mn 发射波长越短,在人眼能感受到的红光范围。格位电荷要尽量
4+
平衡,从而抑制间隙氧的产生,减小浓度猝灭,增强量子效率。Mn 所在格位的晶体学对称性
4+
被破坏后,八面体配位产生拉长或压缩等晶格畸变,引入奇对称场,Mn 跃迁禁阻被打破,吸
收增加,实现发光增强。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种能应用于半导体照明的红光发光效率高、具有微球形貌的锰掺杂微球形荧光粉及其制备方法。
[0005] 本发明的目的是通过如下技术方案实现的:
[0006] 一种锰掺杂微球形荧光粉,所述荧光粉的化学式为Ca1‑xYxAl12‑y‑zGeyO19+x/2+y/2+z/2:4+
zMn ,其中:x=0~1,y=0~1.2,z=0~0.12;所述荧光粉为微球形结构,其尺度为1~3μm。
其中,优选地,x=0~1,y=0.24~1.2。更优选地,x=0.25~0.75,y=0.48~0.96。
[0007] 一种所述锰掺杂微球形荧光粉的制备方法,包括以下步骤:
[0008] (1)取0~0.3g GeO2和3~5ml氨水于烧杯中,60~80℃加热、磁力搅拌4~6h,配成溶液A;称取5~6g AlCl3·6H2O、0~0.4gYCl3·6H2O、0.05g~0.2gCaCl2、0.0006g MnCl2于
烧杯中,加入3~4mL去离子水,7~8mL无水乙醇,磁力搅拌3~5h,配成溶液B。将溶液B完全
转移至溶液A中形成混合溶液。
[0009] (2)在混合溶液或者直接在溶液B加入0~1g柠檬酸、2~3mL甲酰胺,获得混合溶液。将获得的混合溶液在25~35℃下进行搅拌,在搅拌过程中中注入12~15mL的环氧丙烷
(PO),搅拌1~2分钟,停止搅拌后静置5~7分钟,得到乳白色凝胶,干燥。
[0010] (3)将步骤2制得的前驱体平铺于氧化铝烧舟中,随后置于管式炉中升温至1100~1400℃,在氧气氧化性气氛中保温热处理4~6小时;待热处理程序结束后,随炉冷却,取出
4+
产物,得到微球形Ca1‑xYxAl12‑y‑zGeyO19+x/2+y/2+z/2:zMn 荧光粉。
[0011] 进一步地,所述步骤2中,干燥操作具体为:将得到的乳白色凝胶置于培养皿中于70~90℃条件下干燥10~15小时,得到非晶态前驱体。
[0012] 与现有技术相比,本发明的有益效果是:Ca1‑xYxAl12‑y‑zGeyO19+x/2+y/2+z/2:zMn4+荧光粉能够吸收紫外光峰值波长在340nm附近,发射光谱波长位于660nm,为红光;采用环氧丙烷
驱动的溶胶‑凝胶法制备工艺简单、无污染、成本低;制备得到的荧光微球其粒径在1~3μm,
粒径均匀,形貌规则;球形颗粒的荧光粉具有高亮度、高封装密度、高分辨率、低散射性的特
点。

附图说明

[0013] 图1是实施例1的Mn4+掺杂的CaAl12O19红色荧光粉的SEM照片,球形荧光粉形貌规整、单分散性好;
[0014] 图2是实施例1的Mn4+掺杂的CaAl12O19红色荧光粉的荧光光谱,图左侧为激发光谱,中心波长为340nm,右侧为发射光谱,中心波长为655nm;
[0015] 图3是实施例2的Mn4+掺杂的Ca0.75Y0.25Al11.5176Ge0.48O19.3662红色荧光粉的XRD图谱;
[0016] 图4是实施例2的Mn4+掺杂的Ca0.75Y0.25Al11.5176Ge0.48O19.3662红色荧光粉的光谱图,左侧为激发光谱,中心波长为340nm,右侧为发射光谱,中心波长为660nm左右。

具体实施方式

[0017] 本发明提供了一种锰掺杂微球形荧光粉,所述荧光粉的尺度为1~3μm,所述荧光4+
粉的化学式为Ca1‑xYxAl12‑y‑zGeyO19+x/2+y/2+z/2:zMn ,其中:x=0~1,y=0~1.2,z=0.012~
4+ 4+
0.12。其中,优选,x=0~1,y=0.24~1.2。通过利用Ge 与Mn 的价态相同、离子半径相近,
4+ 4+ 4+
因此Mn 进入的八面体格位不会产生电荷不平衡,故引入Ge 来调控Mn 发射波长,同时抑
4+ 3+
制相邻Mn 离子之间的能量传递,降低无辐射跃迁;掺入Y 的作用是破坏晶格对称性,增强
零声子线强度,增强发光。同时CaAl12O19、GeO2、Y3Al5O12都可由快速溶胶凝胶法制备,因此,
4
本发明首次尝试采用快速溶胶凝胶法制备三者的固溶相Ca1‑xYxAl12‑y‑zGeyO19+x/2+y/2+z/2:zMn
+
。下面,结合具体实施方式对本发明作进一步说明。
[0018] 实施例1
[0019] (1)称取5.7943g AlCl3·6H2O、0.2220g CaCl2、0.0006g MnCl2置于50ml烧杯中,加入2.6mL表面活性剂甲酰胺(FA)、5.4mL去离子水及7.7mL无水乙醇,获得混合溶液;
[0020] (2)保持混合溶液在25℃下持续进行磁力搅拌(400转每分钟),待AlCl3·6H2O、CaCl2、MnCl2完全水解后,向混合溶液中迅速注入14mL的环氧丙烷(PO)来驱动凝胶反应。保
持快速搅拌2分钟,待PO分散均匀,停止搅拌。静置5分钟后得到乳白色凝胶;
[0021] (3)将制得的凝胶置于培养皿中于80℃烘箱中干燥12小时,得到非晶态前驱体;
[0022] (4)将制得的前驱体平铺于氧化铝烧舟中,随后置于管式炉中升温至1300℃,在氧气氧化性气氛中热处理4小时;待热处理程序结束后,随炉冷却,取出产物,得到
4+
CaAl11.9976O19.0012:0.0024Mn 荧光粉。
[0023] 对制备得到的荧光粉进行测试:图1为该荧光粉样品的扫描电镜照片,从图中可以看到,该荧光粉具有球形形貌,其粒径在1~3μm左右,粒径均匀,分散性良好。图2所示为本
例所制得的荧光粉的荧光光谱图,在655nm监控的激发光谱和340nm激发下的发射光谱,由
4+
图可知Mn 具有在红光波段(640~680nm)的窄发射带,发射的中心波长为655nm。因此,本发
4+
明实施例的CaAl11.9976O19.0012:0.0024Mn 荧光粉可以配合紫外LED芯片应用于LED照明。
[0024] 实施例2
[0025] (1)取0.1005g GeO2和3ml氨水于烧杯中,80℃加热、磁力搅拌4h,配成溶液A;称取5.5603g AlCl3·6H2O、0.1517gYCl3·6H2O、0.1665gCaCl2、0.0006g MnCl2于烧杯中,加入
3.4mL去离子水,7.7mL无水乙醇,磁力搅拌4h,配成溶液B。
[0026] (2)将溶液B完全转移至溶液A中,加入0.3689g柠檬酸、2.6mL甲酰胺,获得混合溶液。将获得的混合溶液在25℃下进行搅拌,向混合溶液中注入14mL的环氧丙烷(PO),搅拌2
分钟,停止搅拌后静置5分钟,得到乳白色凝胶。
[0027] (3)将步骤2得到的乳白色凝胶置于培养皿中于80℃条件下干燥12小时,得到非晶态前驱体。
[0028] (4)将步骤3制得的前驱体平铺于氧化铝烧舟中,随后置于管式炉中升温至1300℃,在氧气氧化性气氛中保温热处理4小时;待热处理程序结束后,随炉冷却,取出产物,得
4+
到微球形Ca0.75Y0.25Al11.5176Ge0.48O19.3662:0.0024Mn 荧光粉。
[0029] 对制备得到的荧光粉进行测试:图3是制得的Mn4+掺杂的Ca0.75Y0.25Al11.5176Ge0.48O19.3662红色荧光粉的XRD图谱,可以看出该荧光粉结晶度较好,CaAl12O19的特征峰明显,不
存在第二相,表明掺杂有效;图4是在荧光光谱图,660nm监控的激发光谱和340nm激发下的
4+
发射光谱,由图可知Mn 具有在红光波段(640~680nm)的窄发射带,发射的中心波长为
3+
660nm,峰位红移且由于Y 的掺杂发射强度较图2有所增加。因此,本发明实施例的Ca0.7
4+
5Y0.25Al11.5176Ge0.48O19.3662:0.0024Mn 荧光粉可以配合紫外LED芯片应用于LED照明。
[0030] 实施例3
[0031] (1)取0.1005g GeO2和3ml氨水于烧杯中,80℃加热、磁力搅拌4h,配成溶液A;称取5.5603g AlCl3·6H2O、0.3034gYCl3·6H2O、0.1110g CaCl2、0.0006g MnCl2于烧杯中,加入
3.4mL去离子水,7.7mL无水乙醇,磁力搅拌4h,配成溶液B。
[0032] (2)将溶液B完全转移至溶液A中,加入0.3689g柠檬酸、2.6mL甲酰胺,获得混合溶液。将获得的混合溶液在25℃下进行搅拌,向混合溶液中注入14mL的环氧丙烷(PO)。保持快
速搅拌2分钟,待PO分散均匀,停止搅拌。静置5分钟后得到乳白色凝胶;
[0033] (3)将制得的凝胶置于培养皿中于80℃烘箱中干燥12小时,得到非晶态前驱体;
[0034] (4)将制得的前驱体平铺于氧化铝烧舟中,随后置于管式炉中升温至1300℃,在氧气氧化性气氛中热处理4小时;待热处理程序结束后,随炉冷却,取出产物,得到Ca0.5Y0.5
4+
Al11.5176Ge0.48O19.4912:0.0024Mn 荧光粉。
[0035] 对制备得到的荧光粉进行测试:在荧光光谱图,665nm监控的激发光谱和340nm激4+
发下的发射光谱,由图可知Mn 具有在红光波段(640~680nm)的窄发射带,发射的中心波长
4+
为665nm。因此,本发明实施例的Ca0.5Y0.5Al11.5176Ge0.48O19.4912:0.0024Mn 荧光粉可以配合紫
外LED芯片应用于LED照明。
[0036] 实施例4
[0037] (1)取0.1005g GeO2和3ml氨水于烧杯中,80℃加热、磁力搅拌4h,配成溶液A;称取5.5603g AlCl3·6H2O、0.4550gYCl3·6H2O、0.0555g CaCl2、0.0006g MnCl2于烧杯中,加入
3.4mL去离子水,7.7mL无水乙醇,磁力搅拌4h,配成溶液B。
[0038] (2)将溶液B完全转移至溶液A中,加入0.3689g柠檬酸、2.6mL甲酰胺,获得混合溶液。将获得的混合溶液在25℃下进行搅拌,向混合溶液中注入14mL的环氧丙烷(PO)。保持快
速搅拌2分钟,待PO分散均匀,停止搅拌。静置5分钟后得到乳白色凝胶;
[0039] (3)将制得的凝胶置于培养皿中于80℃烘箱中干燥12小时,得到非晶态前驱体;
[0040] (4)将制得的前驱体平铺于氧化铝烧舟中,随后置于管式炉中升温至1300℃,在氧气氧化性气氛中热处理4小时;待热处理程序结束后,随炉冷却,取出产物,得到Ca0.25Y0.75
4+
Al11.5176Ge0.48O19.6162:0.0024Mn 荧光粉。
[0041] 对制备得到的荧光粉进行测试:在荧光光谱图,670nm监控的激发光谱和340nm激4+
发下的发射光谱,由图可知Mn 具有在红光波段(640~680nm)的窄发射带,发射的中心波长
4+
为670nm。因此,本发明实施例的Ca0.25Y0.75Al11.5176Ge0.48O19.6162:0.0024Mn 荧光粉可以配合
紫外LED芯片应用于LED照明。
[0042] 实施例5
[0043] (1)取0.1507g GeO2和3ml氨水于烧杯中,80℃加热、磁力搅拌4h,配成溶液A;称取5.4443g AlCl3·6H2O、0.3034gYCl3·6H2O、0.1110g CaCl2、0.0006g MnCl2于烧杯中,加入
3.4mL去离子水,7.7mL无水乙醇,磁力搅拌4h,配成溶液B。
[0044] (2)将溶液B完全转移至溶液A中,加入0.5533g柠檬酸、2.6mL甲酰胺,获得混合溶液。将获得的混合溶液在25℃下进行搅拌,向混合溶液中注入14mL的环氧丙烷(PO)。保持快
速搅拌2分钟,待PO分散均匀,停止搅拌。静置5分钟后得到乳白色凝胶;
[0045] (3)将制得的凝胶置于培养皿中于80℃烘箱中干燥12小时,得到非晶态前驱体;
[0046] (4)将制得的前驱体平铺于氧化铝烧舟中,随后置于管式炉中升温至1300℃,在氧气氧化性气氛中热处理4小时;待热处理程序结束后,随炉冷却,取出产物,得到Ca0.5Y0.5
4+
Al11.2776Ge0.72O19.6112:0.0024Mn 荧光粉。
[0047] 对制备得到的荧光粉进行测试:在荧光光谱图,655nm监控的激发光谱和340nm激4+
发下的发射光谱,由图可知Mn 具有在红光波段(640~680nm)的窄发射带,发射的中心波长
4+
为655nm。因此,本发明实施例的Ca0.5Y0.5Al11.2776Ge0.72O19.6112:0.0024Mn 荧光粉可以配合紫
外LED芯片应用于LED照明。
[0048] 实施例6
[0049] (1)取0.2010g GeO2和3ml氨水于烧杯中,80℃加热、磁力搅拌4h,配成溶液A;称取5.3285g AlCl3·6H2O、0.3034gYCl3·6H2O、0.1110g CaCl2、0.0006g MnCl2于烧杯中,加入
3.4mL去离子水,7.7mL无水乙醇,磁力搅拌4h,配成溶液B。
[0050] (2)将溶液B完全转移至溶液A中,加入0.7378g柠檬酸、2.6mL甲酰胺,获得混合溶液。将获得的混合溶液在25℃下进行搅拌,向混合溶液中注入14mL的环氧丙烷(PO)。保持快
速搅拌2分钟,待PO分散均匀,停止搅拌。静置5分钟后得到乳白色凝胶;
[0051] (3)将制得的凝胶置于培养皿中于80℃烘箱中干燥12小时,得到非晶态前驱体;
[0052] (4)将制得的前驱体平铺于氧化铝烧舟中,随后置于管式炉中升温至1300℃,在氧气氧化性气氛中热处理4小时;待热处理程序结束后,随炉冷却,取出产物,得到Ca0.5Y0.5
4+
Al11.0376Ge0.96O19.7312:0.0024Mn 荧光粉。
[0053] 对制备得到的荧光粉进行测试:在荧光光谱图,650nm监控的激发光谱和340nm激4+
发下的发射光谱,由图可知Mn 具有在红光波段(640~680nm)的窄发射带,发射的中心波长
4+
为650nm。因此,本发明实施例的Ca0.5Y0.5Al11.0376Ge0.96O19.7312:0.0024Mn 荧光粉可以配合紫
外LED芯片应用于LED照明。
[0054] 上述实施例用来解释说明本发明,而不是对本发明进行限制,在本发明的精神和权利要求的保护范围内,对本发明作出的任何修改和改变,都落入本发明的保护范围。