CN104178136A - 钐掺杂含氮硅酸盐的发光薄膜及其制备方法和电致发光器件 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电材料领域，其公开了一种钐掺杂含氮硅酸盐的发光薄膜及其制备方法和电致发光器件；该发光薄膜的其化学通式为:Me1-xSi2O2N2:xSm3+；其中，Me1-xSi2O2N2是基质，Sm3+是激活光离子，为发光薄膜的发光中心，Me选自Mg,Ca,Sr或Ba元素，x的取值范围为0.01～0.05。钐掺杂含氮硅酸盐的发光薄膜，其电致发光谱（EL）中，在620nm位置有很强的发光峰。
Description
技术领域
本发明涉及光电材料领域，尤其涉及一种钐掺杂含氮硅酸盐的发光薄膜及其制备方法。本发明还涉及一种使用该发光薄膜作为发光层的电致发光器件。
背景技术
与传统的发光粉制作的显示屏相比，发光薄膜在对比度、分辨率、热传导、均匀性、与基底的附着性、释气速率等方面都显示出较强的优越性。因此，作为功能材料，发光薄膜在诸如阴极射线管（CRTs)、电致发光显示（ELDs)及场发射显示（FEDs)等平板显示领域中有着广阔的应用前景。
薄膜电致发光显示器(TFELD)由于其主动发光、全固体化、耐冲击、反应快、视角大、适用温度宽、工序简单等优点，已引起了广泛的关注，且发展迅速。以ZnS:Mn为发光层的单色TFELD已发展成熟并已实现商业化。目前，研究彩色及至全色TFELD，开发多波段发光的材料，是该课题的发展方向。
在发光体系材料中，稀土离子掺杂硅酸盐类荧光粉已经得到深入的研究，能够得到良好的红光到蓝光的激发。同时，由于加入适量的氮化物可以使其化学稳定性和热稳定性提高，并且可得到较大范围变化的激发波长，于是含氮的硅酸盐作为发光材料的基质俞之热门。但是，把该类材料做成发光薄膜，及未见报道。
发明内容
基于上述问题，本发明提供一种钐掺杂含氮硅酸盐的发光薄膜。
本发明的技术方案如下:
本发明提供的钐掺杂含氮硅酸盐的发光薄膜，其化学通式为:Me1-xSi2O2N2:xSm3+；其中，Me1-xSi2O2N2是基质，Sm3+是激活光离子，在薄膜中充当主要的发光中心，x的取值0.01～0.05，优选0.03，Me选自Mg,Ca,Sr或Ba元素。发光薄膜Me1-xSi2O2N2:xSm3+中，x表示Sm3+取代Me离子的摩尔数。
本发明还提供上述钐掺杂含氮硅酸盐的发光薄膜的制备方法，其利用磁控溅射设备来制备，工艺步骤如下:
（1）、陶瓷靶材的制备:分别称取MeO，SiO2，Si3N4和Sm2O3粉体，均匀混合后，在900～1300℃下烧结，制得陶瓷靶材，其中，MeO，SiO2，Si3N4和Sm2O3的摩尔比为1-x:0.5:0.5:x/2；
优选，对陶瓷靶材进行切割，其规格为Φ50×2mm；烧结温度优选1250℃。
（2）、将制得的陶瓷靶材和ITO玻璃衬底装入镀膜设备的腔体中，密封腔体后，对腔体进行抽真空处理，控制腔体真空度为1.0×10-3Pa～1.0×10-5Pa；
优选，ITO玻璃衬底在放入腔体前需清洗处理:先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗带ITO的玻璃衬底，并用对其进行氧等离子处理，然后再放入真空腔体中；
抽真空处理是采用机械泵和分子泵把腔体进行的；腔体真空度为5.0×10-4Pa。
（3）、设置镀膜工艺参数:设置基靶间距为50～90mm，衬底温度为350℃～750℃，过程中通入流量为10～30sccm的体积比为85～99:1～15的氩气和氢气混合工作气体，工作压强为0.2～4.5Pa；待工艺参数设置完成后，进行镀膜处理，得到样品，随后将样品置于0.01Pa真空炉中500～800℃下退火处理1～3h；随后在ITO玻璃衬底的ITO层表面制得钐掺杂含氮硅酸盐的发光薄膜，该发光薄膜的其化学通式为:Me1-xSi2O2N2:xSm3+；其中，Me1-xSi2O2N2是基质，Sm3+是激活光离子，为发光薄膜的发光中心，Me选自Mg,Ca,Sr或Ba元素，x的取值范围为0.01～0.05；
优选，镀膜工艺参数为:基靶间距为70mm，衬底温度为500℃，过程中通入流量为20sccm的体积比为95:5的氩气和氢气混合工作气体，工作压强为1.0Pa,退火温度为600℃，退火时间为2h；以及x的取值为0.03。沉积薄膜的过程通入一定量的氢气，可以使薄膜产生键合氢，与薄膜中的一些悬挂键结合，这样就是降低了无辐射复合中心的密度，最终达到增大发光强度的作用。
本发明还提供一种电致发光器件，包括玻璃衬底、ITO阳极、发光薄膜层以及阴极层，其中，所述发光薄膜为钐掺杂含氮硅酸盐的发光薄膜，其化学通式为:Me1-xSi2O2N2:xSm3+；其中，Me1-xSi2O2N2是基质，Sm3+是激活光离子，为发光薄膜的发光中心，Me选自Mg,Ca,Sr或Ba元素，x的取值范围为0.01～0.05。
电致发光器件的制备工艺如下:
（1）、陶瓷靶材的制备:分别称取MeO，SiO2，Si3N4和Sm2O3粉体，均匀混合后，在900～1300℃下烧结，制得陶瓷靶材，其中，MeO，SiO2，Si3N4和Sm2O3的摩尔比为1-x:0.5:0.5:x/2；
（2）、将制得的陶瓷靶材和ITO玻璃衬底装入镀膜设备的腔体中，密封腔体后，对腔体进行抽真空处理，控制腔体真空度为1.0×10-3Pa～1.0×10-5Pa；
（3）、设置镀膜工艺参数:设置基靶间距为50～90mm，衬底温度为350℃～750℃，过程中通入流量为10～30sccm的体积比为85～99:1～15的氩气和氢气混合工作气体，工作压强为0.2～4.5Pa；待工艺参数设置完成后，进行镀膜处理，得到样品，随后将样品置于0.01Pa真空炉中500～800℃下退火处理1～3h；随后在ITO玻璃衬底的ITO层表面制得钐掺杂含氮硅酸盐的发光薄膜，该发光薄膜的其化学通式为:MeSi2O2N2:xSm3+；其中，Me1-xSi2O2N2是基质，Sm3+是激活光离子，为发光薄膜的发光中心，Me选自Mg,Ca,Sr或Ba元素，x的取值范围为0.01～0.05；
（4）、步骤（3）制得含发光薄膜的ITO玻璃衬底以及Ag纳米粒子移入真空蒸镀设备中，在发光薄膜表面蒸镀一层起阴极作用的Ag层；
待上述步骤完成后，制得电致发光器件。
本发明采用磁控溅射设备，制备钐掺杂含氮硅酸盐发光薄膜，得到薄膜的电致发光谱（EL）中，在620nm位置有很强的发光峰。
附图说明
图1为实施例3制得的发光薄膜样品的EL光谱图；
图2为实施例12制得的电致发光器件结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的较佳实施例作进一步详细说明。
实施例1
选用MgO，SiO2，Si3N4和Sm2O3粉体，其摩尔比为0.97:0.5:0.5:0.015，经过均匀混合后，在1200℃下烧结成Φ50×2mm的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内。然后，先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗带ITO的玻璃衬底，并用对其进行氧等离子处理，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为70mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到6.0×10-4Pa，氢氩气作为工作气体，气体流量20sccm，压强1.0Pa，氢气含量5%。衬底温度为500℃。得到的样品在0.01Pa真空炉中退火2h，退火温度为600℃。得到Mg0.97Si2O2N2:0.03Sm3+发光薄膜。
实施例2
选用MgO，SiO2，Si3N4和Sm2O3粉体，其摩尔比为0.99:0.5:0.5:0.005，经过均匀混合后，在1200℃下烧结成Φ50×2mm的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内。然后，先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗带ITO的玻璃衬底，并用对其进行氧等离子处理，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为70mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到6.0×10-4Pa，氢氩气作为工作气体，气体流量25sccm，压强1.0Pa，氢气含量3%。衬底温度为550℃。得到的样品在0.01Pa真空炉中退火2h，退火温度为650℃。得到Mg0.99Si2O2N2:0.01Sm3+发光薄膜。
实施例3
选用MgO，SiO2，Si3N4和Sm2O3粉体，其摩尔比为0.95:0.5:0.5:0.025，经过均匀混合后，在1200℃下烧结成Φ50×2mm的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内。然后，先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗带ITO的玻璃衬底，并用对其进行氧等离子处理，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为70mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到6.0×10-4Pa，氢氩气作为工作气体，气体流量23sccm，压强2.0Pa，氢气含量1%。衬底温度为400℃。得到的样品在0.01Pa真空炉中退火2h，退火温度为500℃。得到Mg0.95Si2O2N2:0.05Sm3+发光薄膜。
图1为实施例3制得的发光薄膜样品的EL光谱图；从图1可知，在620nm位置有很强的发光峰。
实施例4
选用CaO，SiO2，Si3N4和Sm2O3粉体，其摩尔比为0.97:0.5:0.5:0.015，经过均匀混合后，在1200℃下烧结成Φ50×2mm的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内。然后，先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗带ITO的玻璃衬底，并用对其进行氧等离子处理，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为70mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到6.0×10-4Pa，氢氩气作为工作气体，气体流量20sccm，压强1.0Pa，氢气含量5%。衬底温度为500℃。得到的样品在0.01Pa真空炉中退火2h，退火温度为600℃。得到Ca0.97Si2O2N2:0.03Sm3+发光薄膜。
实施例5
选用CaO，SiO2，Si3N4和Sm2O3粉体，其摩尔比为0.99:0.5:0.5:0.005，经过均匀混合后，在1200℃下烧结成Φ50×2mm的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内。然后，先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗带ITO的玻璃衬底，并用对其进行氧等离子处理，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为70mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到6.0×10-4Pa，氢氩气作为工作气体，气体流量25sccm，压强1.0Pa，氢气含量3%。衬底温度为550℃。得到的样品在0.01Pa真空炉中退火2h，退火温度为650℃。得到Ca0.99Si2O2N2:0.01Sm3+发光薄膜。
实施例6
选用CaO，SiO2，Si3N4和Sm2O3粉体，其摩尔比为0.95:0.5:0.5:0.025，经过均匀混合后，在1200℃下烧结成Φ50×2mm的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内。然后，先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗带ITO的玻璃衬底，并用对其进行氧等离子处理，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为70mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到6.0×10-4Pa，氢氩气作为工作气体，气体流量23sccm，压强2.0Pa，氢气含量1%。衬底温度为400℃。得到的样品在0.01Pa真空炉中退火2h，退火温度为500℃。得到Ca0.95Si2O2N2:0.05Sm3+发光薄膜。
实施例7
选用SrO，SiO2，Si3N4和Sm2O3粉体，其摩尔比为0.97:0.5:0.5:0.015，经过均匀混合后，在1200℃下烧结成Φ50×2mm的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内。然后，先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗带ITO的玻璃衬底，并用对其进行氧等离子处理，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为70mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到6.0×10-4Pa，氢氩气作为工作气体，气体流量20sccm，压强1.0Pa，氢气含量5%。衬底温度为500℃。得到的样品在0.01Pa真空炉中退火2h，退火温度为600℃。得到Sr0.97Si2O2N2:0.03Sm3+发光薄膜。
实施例8
选用SrO，SiO2，Si3N4和Sm2O3粉体，其摩尔比为0.99:0.5:0.5:0.005，经过均匀混合后，在1200℃下烧结成Φ50×2mm的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内。然后，先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗带ITO的玻璃衬底，并用对其进行氧等离子处理，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为70mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到6.0×10-4Pa，氢氩气作为工作气体，气体流量25sccm，压强1.0Pa，氢气含量3%。衬底温度为550℃。得到的样品在0.01Pa真空炉中退火2h，退火温度为650℃。得到Sr0.99Si2O2N2:0.01Sm3+发光薄膜。
实施例9
选用SrO，SiO2，Si3N4和Sm2O3粉体，其摩尔比为0.95:0.5:0.5:0.025，经过均匀混合后，在1200℃下烧结成Φ50×2mm的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内。然后，先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗带ITO的玻璃衬底，并用对其进行氧等离子处理，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为70mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到6.0×10-4Pa，氢氩气作为工作气体，气体流量23sccm，压强2.0Pa，氢气含量1%。衬底温度为400℃。得到的样品在0.01Pa真空炉中退火2h，退火温度为500℃。得到Sr0.95Si2O2N2:0.05Sm3+发光薄膜。
实施例10
选用BaO，SiO2，Si3N4和Sm2O3粉体，其摩尔比为0.97:0.5:0.5:0.015，经过均匀混合后，在1200℃下烧结成Φ50×2mm的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内。然后，先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗带ITO的玻璃衬底，并用对其进行氧等离子处理，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为70mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到6.0×10-4Pa，氢氩气作为工作气体，气体流量20sccm，压强1.0Pa，氢气含量5%。衬底温度为500℃。得到的样品在0.01Pa真空炉中退火2h，退火温度为600℃。得到Ba0.97Si2O2N2:0.03Sm3+发光薄膜。
实施例11
选用BaO，SiO2，Si3N4和Sm2O3粉体，其摩尔比为0.99:0.5:0.5:0.005，经过均匀混合后，在1200℃下烧结成Φ50×2mm的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内。然后，先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗带ITO的玻璃衬底，并用对其进行氧等离子处理，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为70mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到6.0×10-4Pa，氢氩气作为工作气体，气体流量25sccm，压强1.0Pa，氢气含量3%。衬底温度为550℃。得到的样品在0.01Pa真空炉中退火2h，退火温度为650℃。得到Ba0.99Si2O2N2:0.01Sm3+发光薄膜。
实施例12
本实施为电致发光器件，如图2所示，其中，1为玻璃衬底；2为ITO透明导电薄膜，作为阳极；3为发光材料薄膜层；4为Ag层，作为阴极。
选用BaO，SiO2，Si3N4和Sm2O3粉体，其摩尔比为0.95:0.5:0.5:0.025，经过均匀混合后，在1200℃下烧结成Φ50×2mm的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内。然后，先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗带ITO的玻璃衬底，并用对其进行氧等离子处理，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为70mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到6.0×10-4Pa，氢氩气作为工作气体，气体流量23sccm，压强2.0Pa，氢气含量1%。衬底温度为400℃。得到的样品在0.01Pa真空炉中退火2h，退火温度为500℃。得到Ba0.95Si2O2N2:0.05Sm3+发光薄膜。然后在将发光薄膜移入真空蒸镀设备中，在发光薄膜上面蒸镀一层Ag，作为阴极。
应当理解的是，上述针对本发明较佳实施例的表述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种钐掺杂含氮硅酸盐的发光薄膜，其特征在于，其化学通式为:Me1-xSi2O2N2:xSm3+；其中，Me1-xSi2O2N2是基质，Sm3+是激活光离子，为发光薄膜的发光中心，Me选自Mg,Ca,Sr或Ba元素，x的取值范围为0.01～0.05。
2.根据权利要求1所述的钐掺杂含氮硅酸盐的发光薄膜，其特征在于，x的取值为0.03。
3.根据权利要求1所述的钐掺杂含氮硅酸盐的发光薄膜，其特征在于，包括下述化学式的发光薄膜:
Mg0.97Si2O2N2:0.03Sm3+；Mg0.99Si2O2N2:0.01Sm3+；Mg0.95Si2O2N2:0.05Sm3+；Ca0.97Si2O2N2:0.03Sm3+；Ca0.99Si2O2N2:0.01Sm3+；Ca0.95Si2O2N2:0.05Sm3+；Sr0.97Si2O2N2:0.03Sm3+；Sr0.99Si2O2N2:0.01Sm3+；Sr0.95Si2O2N2:0.05Sm3+；Ba0.97Si2O2N2:0.03Sm3+；Ba0.99Si2O2N2:0.01Sm3+；Ba0.95Si2O2N2:0.05Sm3+。
4.一种钐掺杂含氮硅酸盐的发光薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:
陶瓷靶材的制备:分别称取MeO，SiO2，Si3N4和Sm2O3粉体，均匀混合后，在900～1300℃下烧结，制得陶瓷靶材，其中，MeO，SiO2，Si3N4和Sm2O3的摩尔比为1-x:0.5:0.5:x/2；
将制得的陶瓷靶材和ITO玻璃衬底装入镀膜设备的腔体中，密封腔体后，对腔体进行抽真空处理，控制腔体真空度为1.0×10-3Pa～1.0×10-5Pa；
设置镀膜工艺参数:设置基靶间距为50～90mm，衬底温度为350℃～750℃，过程中通入流量为10～30sccm的体积比为85～99:1～15的氩气和氢气混合工作气体，工作压强为0.2～4.5Pa；待工艺参数设置完成后，进行镀膜处理，得到样品，随后将样品置于0.01Pa真空炉中500～800℃下退火处理1～3h；随后在ITO玻璃衬底的ITO层表面制得钐掺杂含氮硅酸盐的发光薄膜，该发光薄膜的其化学通式为:Me1-xSi2O2N2:xSm3+；其中，Me1-xSi2O2N2是基质，Sm3+是激活光离子，为发光薄膜的发光中心，Me选自Mg,Ca,Sr或Ba元素，x的取值范围为0.01～0.05。
5.根据权利要求4所述的钐掺杂含氮硅酸盐的发光薄膜的制备方法，其特征在于，所述陶瓷靶材制备过程中的烧结温度为1250℃。
6.根据权利要求4所述的钐掺杂含氮硅酸盐的发光薄膜的制备方法，其特征在于，所述抽真空处理是采用机械泵和分子泵把腔体进行的。
7.根据权利要求4所述的钐掺杂含氮硅酸盐的发光薄膜的制备方法，其特征在于，所述腔体真空度为5.0×10-4Pa。
8.根据权利要求4所述的钐掺杂含氮硅酸盐的发光薄膜的制备方法，其特征在于，所述镀膜工艺参数为:基靶间距为70mm，衬底温度为500℃，过程中通入流量为20sccm的体积比为95:5的氩气和氢气混合工作气体，工作压强为1.0Pa，退火温度为600℃，退火时间为2h。
9.根据权利要求4所述的钐掺杂含氮硅酸盐的发光薄膜的制备方法，其特征在于，x的取值为0.03。
10.一种电致发光器件，包括玻璃衬底、ITO阳极、发光薄膜层以及Ag阴极层，其特征在于，所述发光薄膜为钐掺杂含氮硅酸盐的发光薄膜，其化学通式为:Me1-xSi2O2N2:xSm3+；其中，Me1-xSi2O2N2是基质，Sm3+是激活光离子，为发光薄膜的发光中心，Me选自Mg,Ca,Sr或Ba元素，x的取值范围为0.01～0.05。
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| 逄茂林等: "发光薄膜的制备及应用", 《液晶与显示》, vol. 17, 30 October 2002 (2002-10-30), pages 372 - 380 * |
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