一种窄带绿色荧光粉及其制备方法和应用转让专利

申请号 : CN202110220862.5

文献号 : CN112980440B

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发明人 : 夏茂朱海峰周智黄旭高培鑫周诚

申请人 : 湖南农业大学

摘要 :

本发明公开了一种窄带绿色荧光粉及其制备方法和应用,其化学通式为:(BaZn)1‑αMα(MgGe)βN10+α‑βO16+γ:xMn2+,yLn。其中,M包括Na、K、Rb中至少一种,N包括Ga、Al中至少一种,Ln包括Ce3+、Eu2+中的至少一种,0.001

权利要求 :

1.一种窄带绿色荧光粉,其特征在于,其化学通式为:(BaZn)1‑αMα(MgGe)βN10+α‑βO16+γ:

2+ 3+ 2+

xMn ,yLn;M包括Na、K、Rb中至少一种,N包括Ga、Al中至少一种,Ln包括Ce 、Eu 中的至少一种,0.001

2.根据权利要求1所述的窄带绿色荧光粉,其特征在于:通过调节α,β的大小,实现材料发光强度的变化;随着α的增加,发射强度先增加后减小,当α=0.5时,发射强度最强;随着β的增加,发射强度先增加后减小,当β=2时,发射强度最强。

3.根据权利要求1所述的窄带绿色荧光粉,其特征在于:通过控制N位置Ga、Al两种元素的比例,实现材料发射峰位置的移动;随着Al比例的增大,材料的发射峰从501nm红移到510nm。

4.根据权利要求1所述的窄带绿色荧光粉,其特征在于:

3+ 2+ 2+

通过控制Ce 、Eu 的掺入提高Mn 的发光强度,其中0≤y<0.5,当y=0.2时,提升的效果最强。

5.权利要求1‑4任一项所述的窄带绿色荧光粉的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:S1.按一定比例称取原料,加入适量酒精作为分散剂,研磨15分钟,混合均匀,得到混合物,备用;

S2.将第一步得到的混合物进行高温还原气氛烧结,冷却后得到样品;

S3.取出焙烧后的样品,研磨均匀,即得到窄带绿色荧光粉。

6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述S1步骤中,原料是含所需元素的氧化物、碳酸盐或氟化物。

7.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于所述S1步骤中,含M元素化合物的质量是正常化学计算量的1.5‑2.5倍。

8.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于所述S2步骤中,所述还原气氛为碳粉或N2‑H2混合气体。

9.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于所述S2步骤中,反应温度范围为1000‑1500℃,反应时间范围为4‑10h。

10.权利要求1‑4任一项所述的窄带绿色荧光粉在制备发光材料中的应用。

说明书 :

一种窄带绿色荧光粉及其制备方法和应用

技术领域

[0001] 本发明涉及发光材料及其制备技术领域,尤其涉及一种紫外‑蓝光激发的窄带绿色荧光粉及其制备方法和应用。

背景技术

[0002] 白色发光二极管(W‑LED)由于其高效率、颜色可调、耐用、寿命长、节能和环保等优点,已成功应用于固态照明、LCD背光显示、平板显示等等领域。目前,实现白光发射最常用3+
的途径是通过蓝色发光InGaN芯片+黄色发光Y3Al5O12:Ce 荧光粉+红光发光(如CaAlSiN3:
2+ 2+ 4+
Eu ,Sr2Si5N8:Eu ,K2SiF6:Mn 等)荧光粉的组合来实现的。然而,这种方法仍存在一个问题:即在470‑510nm区域的蓝色和黄色发射之间存在一定的青光/绿光间隙,这使得该方法并不适合高质量的照明。因此,在这一光谱区域开发一种新的绿光荧光体来填充蓝色和黄色发射峰之间的间隙是非常重要的。当然,这种新的荧光体最好能具有窄带特性,因为窄带
3+
特性可以减少Y3Al5O12:Ce 的激发光谱与发光荧光粉的发射光谱重叠的机会,从而避免了重吸收效应,实现最大可达到的发光效能;另外发光峰越窄,色彩会越饱和,照明质量越高。
2+ 2+
目前,现有的商业化绿色荧光粉主要有β‑Sialon:Eu (535nm)、(Ba,Sr)2SiO4:Eu (525nm),但是这些材料存在以下缺点:(1)制备条件比较苛刻(1900℃),需要高温高压条件;(2)半峰宽比较宽(57nm);(3)离470‑510nm的位置还存在一定的距离,因此这类荧光粉并不适合改
3+
善“InGaN芯片+Y3Al5O12:Ce ”照明体系的发光性能。在此背景下,研究高性能的窄带绿色荧光粉对提高LED照明、LCD背光显示等领域具有重要意义。

发明内容

[0003] 针对背景技术中所述的缺点与不足,本发明的目的在于提供了一种窄带绿色荧光粉及其制备方法和应用。该类荧光粉的激发峰位可与近紫外和商业GaN蓝光LED相匹配;发3+
射峰位于501‑510nm,是“InGaN芯片+Y3Al5O12:Ce ”照明体系所缺少的波段;半峰宽为24‑
26nm可有效避免重吸收现象且更加适合显示领域;在150℃的工作温度下能保持较高的稳定性。该材料的制备方法简单,合成温度较低,原料价格便宜,便于大规模生产。
[0004] 为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
[0005] 一种窄带绿色荧光粉,其化学通式为:(BaZn)1‑αMα(MgGe)βN10+α‑βO16+γ:xMn2+,yLn;M3+ 2+
包括Na、K、Rb中至少一种,N包括Ga、Al中至少一种,Ln包括Ce 、Eu 中的至少一种,0.001
[0006] 所述的窄带绿色荧光粉,其特征在于:通过调节α,β的大小,可以实现材料发光强度的变化。随着α的增加,发射强度先增加后减小,当α=0.5时,效果最好;随着β的增加,发射强度先增加后减小,当β=2时,效果最好。
[0007] 所述的窄带绿色荧光粉,通过控制N位置Ga、Al两种元素的比例,实现材料发射峰位置的移动;随着Al比例的增大,材料的发射峰从501nm红移到510nm。
[0008] 所述的窄带绿色荧光粉,通过控制Ce3+、Eu2+的掺入提高Mn2+的发光强度,其中0≤y<0.5,当y=0.2时,提升的效果最佳。
[0009] 所述的窄带绿色荧光粉的制备方法,包括以下步骤:
[0010] S1.按一定比例称取原料,加入适量酒精作为分散剂,研磨15分钟,混合均匀,得到混合物,备用;
[0011] S2.将第一步得到的混合物进行高温还原气氛烧结,冷却后得到样品;
[0012] S3.取出焙烧后的样品,研磨均匀,即得到窄带绿色荧光粉。
[0013] 所述S1步骤中,原料是含所需元素的氧化物、碳酸盐或氟化物。
[0014] 所述S1步骤中,含M元素化合物的质量是正常化学计算量的1.5‑2.5倍。因为该类化合物的熔沸点较低,在高温下易挥发,其余元素按照正常化学计量比计算。
[0015] 所述S2步骤中,所述还原气氛为碳粉或N2‑H2混合气体。
[0016] 所述S2步骤中,反应温度范围为1000‑1500℃,反应时间范围为4‑10h。
[0017] 进一步地,所述S2步骤中,在空气中烧结也能得到目标绿粉,但性能不及还原气氛中得到的产品。
[0018] 本发明还提供了上述的窄带绿色荧光粉在制备发光材料中的应用。
[0019] 与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
[0020] (1)本发明所述荧光粉在紫外,蓝光区域都有激发峰,可以与商用紫外或蓝光芯片很好的匹配;
[0021] (2)本发明所述的荧光粉发射峰窄,色纯度高,热稳定性优良,发射峰位于501‑3+
510nm,是“InGaN芯片+Y3Al5O12:Ce ”照明体系所缺少的波段;可用于提高“InGaN芯片+
3+
Y3Al5O12:Ce ”照明体系的显色指数,半峰宽为24‑26nm可有效避免重吸收现象且更加适合显示领域;在背光显示领域也有一定的应用前景;
[0022] (3)在150℃的工作温度下能保持较高的稳定性。
[0023] (4)本发明所述的荧光粉所用的原料价格便宜,合成工艺简单,合成温度较低,化学性能稳定、无污染,便于大规模生产。

附图说明

[0024] 图1是本发明实施例1制备样品(BaZn)1‑αKα(MgGe)0.5Ga9.5+αO17:0.24Mn2+(α=0.1,0.3,0.5,0.7,0.9)的X射线粉末衍射图谱;
[0025] 图2是本发明实施例1制备样品(BaZn)1‑αKα(MgGe)0.5Ga9.5+αO17:0.24Mn2+(α=0.1,0.3,0.5,0.7,0.9)的激发和发射光谱;
[0026] 图3是本发明实施例1制备样品(BaZn)0.5K0.5(MgGe)0.5Ga10O17:0.24Mn2+的荧光发射光谱相对积分强度(积分范围:460‑580nm)随测试温度的关系图(激发波长440nm);
[0027] 图4是本发明实施例1制备样品(BaZn)0.5K0.5(MgGe)0.5Ga10O17:0.24Mn2+与InGaN芯3+
片和商用Y3Al5O12:Ce 荧光粉的发射光谱对比图;
[0028] 图5是本发明实施例2制备样品(BaZn)0.5K0.5(MgGe)βAl10.5‑βO17:0.24Mn2+(β=0.5,1,1.5,2,2.5)的X射线粉末衍射图谱;
[0029] 图6是本发明实施例2制备样品(BaZn)0.5K0.5(MgGe)βAl10.5‑βO17:0.24Mn2+(β=0.5,1,1.5,2,2.5)的激发和发射光谱;
[0030] 图7是本发明实施例2制备样品(BaZn)0.5K0.5(MgGe)0.5Al10O17:0.24Mn2+的SEM图;
[0031] 图8是本发明实施例3制备样品(BaZn)0.5K0.5(MgGe)0.5Al10O17:0.24Mn2+,yCe3+(y=0.05,0.1,0.15,0.2,0.25,0.3,0.35,0.4)的发射光谱图;
[0032] 图9是本发明实施例4制备样品(BaZn)0.5K0.5(MgGe)0.5Ga10‑zAlzO17:0.24Mn2+(z=0,2,4,6,8,9,10)荧光粉的发射光谱对比图。

具体实施方式

[0033] 下面结合具体实施例,进一步阐明本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为了清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其它实施方式。
[0034] 实施例1:
[0035] 本实施例按照如下方法制备化学式为(BaZn)1‑αKα(MgGe)0.5Ga9.5+αO17:0.24Mn2+(α=0.1,0.3,0.5,0.7,0.9)荧光粉。
[0036] (BaZn)1‑αKα(MgGe)0.5Ga9.5+αO17:0.24Mn2+(α=0.1,0.3,0.5,0.7,0.9)荧光粉制备过程:采用碳酸钡(99.9%),氧化锌(99.9%),碳酸钾(99.9%),氧化镁(99.9%),氧化锗(99.9%),氧化镓(99.99%),碳酸锰(99.9%)作为原料,按照一定比例称取原料:
[0037]   碳酸钡 氧化锌 碳酸钾 氧化镁 氧化锗 氧化镓α=0.1 0.45g 0.18g 0.05g 0.058g 0.15g 2.256g
α=0.3 0.35g 0.14g 0.15g 0.058g 0.15g 2.303g
α=0.5 0.25g 0.1g 0.25g 0.058g 0.15g 2.35g
α=0.7 0.15g 0.06g 0.35g 0.058g 0.15g 2.397g
α=0.9 0.05g 0.02g 0.45g 0.058g 0.15g 2.444g
[0038] 另称取0.029g碳酸锰作为激活剂,滴入适量酒精作为分散剂,研磨15min混合均匀后,装入刚玉舟中,放入管式炉并通入H2/N2混合气(H2:N2=4:1),调节出口流量计为每秒平均1‑2个气泡,在1400℃下烧结7个小时,冷却后研磨产物,过100目筛网,即得到一种窄带绿2+
光发射荧光粉(BaZn)1‑αKα(MgGe)0.5Ga9.5+αO17:0.24Mn (α=0.1,0.3,0.5,0.7,0.9)。
[0039] 如图1所示,为(BaZn)1‑αKα(MgGe)0.5Ga9.5+αO17:0.24Mn2+(α=0.1,0.3,0.5,0.7,0.9)荧光粉的XRD图谱,峰形与计算得到的结果(XRD Rietveld refinements)有较好的匹配,表明材料的成功合成。
[0040] 图2为(BaZn)1‑αKα(MgGe)0.5Ga9.5+αO17:0.24Mn2+(α=0.1,0.3,0.5,0.7,0.9)荧光粉的激发和发射光谱,可以看出,材料在300,380,425,440nm处有四个激发峰,暗示该材料可被近紫外光和蓝光有效激发;材料在501nm处有一个窄带发射峰,半峰宽为25.93nm,材料在α=0.5时发光强度最高。
[0041] 图3为(BaZn)0.5K0.5(MgGe)0.5Ga10O17:Mn2+荧光粉在不同温度下的发射光谱及其强度对比图,该材料在150℃的工作温度下还能保持初始温度(25℃)的93.68%,说明其热稳定性优良,有较大的应用潜力。
[0042] 图4为(BaZn)0.5K0.5(MgGe)0.5Ga10O17:0.24Mn2+荧光粉与InGaN芯片和商用Y3Al5O12:3+ 2+
Ce 荧光粉的发射光谱对比图,可见,(BaZn)0.5K0.5(MgGe)0.5Ga10O17:0.24Mn 的发射光谱处
3+
于蓝光芯片和Y3Al5O12:Ce 荧光粉发射峰之间的峰谷位置,说明该荧光粉可有效提高
3+
“InGaN芯片+Y3Al5O12:Ce ”照明体系的显色指数。
[0043] 实施例2:
[0044] 本实施例按照如下方法制备化学式为(BaZn)0.5K0.5(MgGe)βAl10.5‑βO17:0.24Mn2+(β=0.5,1,1.5,2,2.5)荧光粉。
[0045] (BaZn)0.5K0.5(MgGe)βAl10.5‑βO17:0.24Mn2+(β=0.5,1,1.5,2,2.5)荧光粉制备过程:采用碳酸钡(99.9%),氧化锌(99.9%),碳酸钾(99.9%),氧化镁(99.9%),氧化锗(99.9%),氧化铝(99.99%),碳酸锰(99.9%)作为原料,按照一定比例称取原料:
[0046]  碳酸钡 氧化锌 碳酸钾 氧化镁 氧化锗 氧化铝
β=0.5 0.25g 0.1g 0.25g 0.058g 0.15g 1.92g
β=1 0.25g 0.1g 0.25g 0.116g 0.3g 1.824g
β=1.5 0.25g 0.1g 0.25g 0.174g 0.45g 1.725g
β=2 0.25g 0.1g 0.25g 0.232g 0.6g 1.632g
β=2.5 0.25g 0.1g 0.25g 0.29g 0.75g 1.536g
[0047] 另称取0.029g碳酸锰作为激活剂,滴入适量酒精作为分散剂,研磨15min混合均匀后,装入刚玉舟中,放入管式炉并通入H2/N2混合气(H2:N2=4:1),调节出口流量计为每秒平均1‑2个气泡,在1500℃下烧结7个小时,冷却后研磨产物,过100目筛网,即得到一种窄带绿2+
光发射荧光粉(BaZn)0.5K0.5(MgGe)βAl10.5‑βO17:0.24Mn (β=0.5,1,1.5,2,2.5)。
[0048] 如图5所示,为(BaZn)0.5K0.5(MgGe)βAl10.5‑βO17:0.24Mn2+(β=0.5,1,1.5,2,2.5)荧光粉的XRD图谱,峰形与计算得到的结果(XRD Rietveld refinements)有较好的匹配,表明材料的成功合成。
[0049] 图6为(BaZn)0.5K0.5(MgGe)βAl10.5‑βO17:0.24Mn2+(β=0.5,1,1.5,2,2.5)荧光粉的激发和发射光谱,可以看出,材料在360,380,424,450nm处有四个激发峰,暗示该材料可被近紫外光和蓝光有效激发;材料在510nm处有一个窄带发射峰,半峰宽为24.74nm。
[0050] 图7为(BaZn)0.5K0.5(MgGe)0.5Al10O17:0.24Mn2+荧光粉的扫描电镜图(SEM),从图中可以看出,其平均粒径在1‑5μm范围内,微粒呈现为规则的块状结构。
[0051] 实施例3:
[0052] 本实施例按照如下方法制备化学式为(BaZn)0.5K0.5(MgGe)0.5Al10O17:0.24Mn2+,3+
yCe (y=0.05,0.1,0.15,0.2,0.25,0.3,0.35,0.4)荧光粉。
[0053] 采用碳酸钡(99.9%),氧化锌(99.9%),碳酸钾(99.9%),氧化镁(99.9%),氧化锗(99.9%),氧化铝(99.99%),碳酸锰(99.9%)作为原料,按照一定比例称取碳酸钡0.25g,氧化锌0.1g,碳酸钾0.25g,氧化镁0.058g,氧化锗0.15g,氧化铝1.92g于玛瑙研钵中,另称取0.029g碳酸锰作为激活剂,分别取0.0196g,0.0392g,0.0589g,0.0786g,
0.0982g,0.1179g,0.1375g,0.1572g氧化铈作为敏化剂,滴入适量酒精作为分散剂,研磨
15min混合均匀后,装入刚玉舟中,放入管式炉并通入H2/N2混合气(H2:N2=4:1),调节出口流量计为每秒平均1‑2个气泡,在1500℃下烧结7个小时,冷却后研磨产物,过100目筛网,即
2+ 3+
得到(BaZn)0.5K0.5(MgGe)0.5Al10O17:0.24Mn ,yCe (y=0.05,0.1,0.15,0.2,0.25,0.3,
0.35,0.4)。
[0054] 从图8可以看出,Ce3+的掺入可加强Mn2+在(BaZn)0.5K0.5(MgGe)0.5Al10O17基质中的发3+ 2+
射强度,这是因为Ce 的发射可以被Mn 有效的吸收。当y=0.2时,加强的效果最佳。
[0055] 实施例4:
[0056] 本实施例按照如下方法制备化学式为(BaZn)0.5K0.5(MgGe)0.5Ga10‑zAlzO17:0.24Mn2+(z=0,2,4,6,8,9,10)荧光粉。
[0057] 称取碳酸钡0.25g,氧化锌0.1g,碳酸钾0.25g,氧化镁0.058g,氧化锗0.15g,按z=0,2,4,6,8,9,10的比例称取氧化镓和氧化铝,另称取0.029g碳酸锰作为激活剂,滴入适量酒精作为分散剂,研磨15min混合均匀后,装入刚玉舟中,放入管式炉并通入H2/N2混合气(H2:N2=4:1),调节出口流量计为每秒平均1‑2个气泡,在1500℃下烧结7个小时,冷却后研
2+
磨产物,过100目筛网,即得到(BaZn)0.5K0.5(MgGe)0.5Ga10‑zAlzO17:0.24Mn 荧光粉。
[0058] 图9是(BaZn)0.5K0.5(MgGe)0.5Ga10‑zAlzO17:0.24Mn2+(z=0,2,4,6,8,9,10)荧光粉的发射光谱对比图。从图中可以看出,随着Al比例的增大,材料的发射峰逐渐从501nm红移到510nm,说明可以提高Ga/Al比例的调制实现光谱的协调发射。
[0059] 在不冲突情况下,上述实施例的特征可以相互结合。