具有高效白光发射稀土掺杂包含镓/铟酸盐纳米晶的透明硅酸盐玻璃-陶瓷的调控合成及发光特性研究

The project is the cross-connection science among material science, luminescence science and nanometer science. The transparent glass-ceramic doped with rare earth ions for LED applications is designed, prepared, based on the principle of energy-transfer. The transparent glass-ceramic containing gallate/indate nanocrystals will be synthesized by the metlting and the sol-gel method,respectively. The size and types of nanocrystals, the concentration of dopant ions in glass-ceramic are controled to achieve white light emission with high efficiency and high color rendering index. The absorption range also will be modulated according to the LED chip. Some modern spectrum characterization methods are used to obtain absorption spectra, excitation spectra, emission spectra, high-resolution spectra, luminescent decay, etc. The luminescent properties of the prepared samples will be further researched. The physical principles of luminescence will be further clarified. The project is the theory and practice purposes for developing advanced luminescent materials for white light LED and devices.

本研究是材料学、发光学和纳米科学之间的交叉学科。基于能量传递原理设计、开发和制备稀土掺杂白光LED用包含镓酸盐/铟酸盐纳米晶的透明硅酸盐玻璃－陶瓷。分别采用高温熔融和溶胶－凝胶法合成稀土离子掺杂的包含有镓酸盐/铟酸盐纳米晶的透明玻璃－陶瓷，通过控制组成和制备条件与工艺实现对玻璃－陶瓷中纳米晶的种类和尺寸、掺杂离子浓度等的操控，调制其发光特性实现高效和高显色指数的白光发射，调控其吸收光谱与商业LED芯片相匹配。利用现代光谱手段，包括吸收、激发、发射、高分辨光谱、荧光衰减等手段研究玻璃－陶瓷的光谱学特性，深刻理解和揭示发光的物理机制，揭示稀土离子在两相体系中的赋存状态。该研究对于开发新型白光LED用荧光材料和器件具有重要的理论和实际意义。

在过去的4年中，在基金委的资助下，项目顺利开展，针对包含尖晶石结构纳米晶的透明硅酸盐玻璃陶瓷的MgO-Ga2O3/Al2O3-SiO2体系的组成、结构和发光特性展开系统的研究，取得成果主要有：（1）制备了Eu，Ce，Dy,Er,Yb等离子掺杂的MgO-Ga2O3-SiO2体系玻璃和玻璃陶瓷，研究组成、热处理温度和气氛、发光中心的种类对于基质结构和发光特性的影响。结果表明少量稀土离子的掺杂并不改变基质的结构，发现样品中MgGa2O4纳米晶的形成和尺寸、分布依赖于组成和工艺条件（包括退火温度和气氛），可实现结构的调控。对于发光特性，在掺杂Eu3+/Dy3+的样品中，发射光谱中观察到明显的来源于Eu3+的特征发射峰，而源于于Dy3+离子480 nm，580 nm和665 nm处的发射峰，表明Eu3+/Dy3+共掺杂的玻璃陶瓷具有应用于白光LED领域的潜在可能。在共掺杂Er3+/Yb3+的样品中观察到从Yb3+到Er3+的能量传递，证实了Er3+/Yb3+体系中双光子上转换过程。（2）采用溶胶-凝胶法制备了不同稀土和过渡金属离子掺杂的MgO-Al2O3 -SiO2体系玻璃和玻璃陶瓷，结果表明在一定组成和退火温度对于MgAl2O4纳米晶的形成和尺寸有重要的影响；观察到Ce3+到Eu2+和Ce3+到Tb3+的能量传递。并且研究Er离子的上转换和多光子过程（3）制备了包含SrSiO4的透明玻璃和玻璃陶瓷，系统研究了发光特性。