镧系硅氧氮化物荧光材料的晶体结构和发光特性

Many species of Ln-Si-O-N compounds can be found in the lanthanide oxonitridosilicates. These compounds can provide kinds of doping environments for rare-earths. When the compounds are doped with rare-earths, they can be efficiently excited by the ultra-violet/purple/blue LED chip, and efficiently emit the blue/green/yellow light. These compounds can be used as the converted phosphors in white LEDs. But up to now, only a few kinds of these compounds have been studied for their crystal structures and luminescence properties. The reason restricting people to research these compounds is that these compounds always need critical synthesis conditions and the crystal structures of some of these compounds are difficult to resolve. In this research application, we are planning to synthesize these phosphors by the high-temperature solid state reaction under nitrogen atmosphere and resolve their crystal structures with the Rietveld refinement technique. With the analyses of the crystal structure, we want to systematically study their luminescence pproperties, such as the exciation and emission spectra, crystal splitting, energy trafer, temperature quenching and the others and so on. Our purpose is to acquire series of new oxonitridosilicate phosphors for white LED lighting, revel the luminescence mechanisms of the rare-earths and investigate the effect of the crystal structure on the luminescence.

镧系硅氧氮化合物种类丰富，能为稀土离子提供丰富的掺杂环境。掺杂稀土离子后，该类化合物可被紫外、紫光或蓝光LED有效激发，并高效发射蓝光、绿光或红光，可作为荧光转换材料应用于白光LED照明中。但至目前为止，在该类化合物中，仅有少量化合物的晶体结构和发光性能得到了研究。制约人们对该类荧光材料进行研究的主要原因是该类荧光材料需要较高的制备条件，且某些化合物的晶体结构解析存在困难。在本课题中，我们拟采用高温氮化法制备该类荧光材料，并使用Rietveld结构精修技术对该类荧光材料的晶体结构进行解析。结合晶体结构解析结果，我们将对该类荧光材料的激发和发射光谱、晶场劈裂、能量传递、温度猝灭等发光特性和发光机理进行深入研究。我们的目的是制备一类能适用于白光LED照明的新型荧光材料，阐明稀土离子在该类荧光材料中的发光机理，揭示该类荧光材料中晶体结构对其发光性能的影响规律。

该项目主要对镧系硅氧氮化合物（Ln-Si-O-N）荧光材料的晶体结构和发光物性进行全面探索和研究，研究重点在于发现新的镧系化合物并求解结构、制备一种或数种新颖的能适用于白光LED照明及其他应用的荧光材料、对稀土发光离子在该类化合物中的占位和特有发光物性进行解析和研究。受本基金资助，主要开展了以下研究内容：（1）对Ln-Si-O-N（Ln=Y，La，Ce，Gd，Lu等）相图中可能存在的化合物进行了搜寻和制备，发现了部分新的化合物并求解结构；（2）制备了系列Ce3+、Eu2+、Tb3+、Yb2+等稀土离子激活的Ln-Si-O-N荧光材料，对其激发发射光谱、晶体学占位与发光中心、光谱学性能演化、能量转移传递机理等光学性能进行了研究；（3）晶体结构分析和发光性能分析相结合，对稀土离子在该类化合物中的发光机理进行了阐释和研究；（4）还开展了硅酸盐、磷酸盐等其他化合物荧光材料的制备和发光性能研究工作。代表性研究成果有：（1）在Gd-Si-O-N相图中发现新相Gd5Si3O12N，通过Rietveld粉末精修方法获得了Gd5Si3O12N的晶体结构参数，该成果将更新研究者对Ln-Si-O-N化合物物相存在和晶体结构的认识，促进Ln-Si-O-N系中系列新化合物的发现和研究；（2）在La5Si3O12N中+3价La3+离子格位实现了稳态的+2价Eu2+离子发光，至目前Eu2+离子在Ln-Si-O-N化合物中的发光研究报道较少见，该研究具有一定的突破意义，将直接推动Ln-Si-O-N系化合物中大量新的Eu2+离子激活荧光材料的发现和制备；（3）对Ln-Si-O-N系中Y4Si2O7N2、Y2Si3O3N4、Y5Si3O12N、Lu4Si2O7N2及M-Si-Al-O系中Sr2Al2SiO7、CaAl2Si2O8等化合物的晶体结构进行了精修和修正，取得了一些新的结构参数，更新了部分前人的研究结果，全面论述了Ce3+、Eu2+等发光离子在这些化合物中的晶体学占位和该化合物特有发光物性之间的关系，对Tb3+等线状发射稀土离子在Ln-Si-O-N化合物中的交叉弛豫现象和辐射机理进行了研究等。