CN102827601B

CN102827601B - 氟化物荧光粉体材料及其半导体发光器件

Info

Publication number: CN102827601B
Application number: CN201210344678.2A
Authority: CN
Inventors: 朱浩淼; 陈学元
Original assignee: Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Current assignee: Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Priority date: 2012-09-17
Filing date: 2012-09-17
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2032-09-17
Also published as: CN102827601A

Abstract

本发明提供了一类氟化物荧光粉体材料及其半导体发光器件。该类Mn⁴⁺激活的能够被紫光和蓝光激发的氟化物红光发光材料，可广泛使用于白光LED以及平板显示等领域。其化学组成为：（1）AMNF₆：Mn⁴⁺；（2）MNF₅：Mn⁴⁺；（3）ARF₄:Mn⁴⁺；（4）Ba₂ZrF₈：Mn⁴⁺，其中A为Li，Na，K，Rb，Cs，NH₄中的一种或几种的组合；M为Mg，Zn，Ba，Sr，Ca中的一种或几种的组合；N为Al，Ga，In中的一种或几种的组合；R为Sc，Y，Bi以及稀土元素中的一种或几种的组合；Mn⁴⁺为发光中心离子。

Description

氟化物荧光粉体材料及其半导体发光器件

技术领域

本发明涉及一类应用于发光领域的荧光粉材料，特别涉及白光LED用红光发光材料及其在照明和显示领域的应用。

背景技术

发光二极管（Light-Emitting Diode，简称为LED）是一种固态发光器件，具有小型固化、节能、环保以及长寿命等优点。通常，单个LED器件的发光颜色较为单一，限制了其应用，为了拓展其发射波长，可在LED芯片上涂覆上一层荧光粉，该荧光粉能够吸收LED芯片发出的光，并发射出另一波长的光，通过选择不同的荧光粉即可获得不同颜色的发光器件，可广泛应用于交通灯、汽车尾灯以及显示屏等多种领域。同时，通过选择合适的荧光粉，还可以实现LED器件的白光发射，从而在室内照明等领域得到应用。对于白光LED的制备，目前最常用的方法是将蓝光LED芯片（发光波长440-480 nm）与黄光荧光粉（如YAG:Ce和TAG:Ce）相结合，黄光荧光粉吸收部分芯片发出的蓝光后发射出黄光，并与未被吸收的蓝光混合形成白光。但是，采用这种方式只能获得相关色温（Correlated Color Temperature，CCT）大于4500 K的冷白光器件，同时，其显色指数（Color Rendering Index，CRI）也较低，通常小于80。其主要原因在于常用黄光荧光粉发射光谱中的红光组份不足，导致难以获得低色温、暖色调以及高显色指数的白光LED器件，而这正是白光LED能在室内获得应用的关键。要想实现这一目标，一个有效的办法就是在白光LED器件中添加适当的红光荧光粉，增强器件的红光发射。目前，性能较好的白光LED用红光荧光粉主要为稀土掺杂的氮化物材料，如M₂Si₅N₈:Eu²⁺ (M = Ca, Sr, Ba)，MSiN₂:Eu²⁺ (M = Sr，Ba，Mg)以及CaAlSiN₃:Eu²⁺等。但是，使用该类材料虽能有效的提升器件的显色指数，降低相关色温，但同时也使得器件的辐射光视效能（Luminous Efficacy of Radiation，LER）大幅降低。这主要是因为该类红光荧光粉的发射为宽带发射，相当一部分发射光谱处于深红（＞650 nm）范围，而人眼对这部分发光是极不敏感的。因此，为了在改善器件显色性的同时获得较高的器件效率，理想的状况是红光荧光粉具有较窄的发射带宽且其发射波长小于650 nm。

Mn⁴⁺为过渡族离子，具有未满的3d³电子壳层，其外层没有闭壳层的屏蔽，因此其电子运动受晶体场和晶格振动的影响较大，当Mn⁴⁺离子作为激活离子替代基质晶体中的某一种或多种离子时，其光学性质如吸收和发射峰的位置、发光效率以及荧光热猝灭特性等都会因基质材料的不同而不同。Mn⁴⁺离子的半径很小（~0.54 ?），因此作为掺杂离子它可替代基质材料中的Si⁴⁺，Ge⁴⁺，Sn⁴⁺，Ti⁴⁺，Zr⁴⁺，Al³⁺，Ga³⁺，In³⁺，As³⁺，Nb⁵⁺，Ta⁵⁺以及三价稀土（La-Lu，Sc，Y）等离子，其替代比例（原子百分比）可在0-100 at.%范围内，通常在荧光粉体材料中为0-30 at.%。当Mn⁴⁺离子处于八配位的晶格环境中时，其发射光谱为峰值在630 nm左右的窄带发射，因此是一类红光发光材料。1968年，美国专利（U. S. Patent，1971, 3 576 756）即报道了Mn⁴⁺激活的K ₂TiF₆，K₂SiF₆等红光荧光粉；近些年，美国通用电气公司又申请了Mn⁴⁺激活的EMF₆ (M=Ge, Si, Sn, Ti, Zr ；E=Mg, Ca, Sr, Ba, Zn); A₂NF₅ (A=Li, Na, K, Rb, Cs, NH₄;N=Al, Ga, In), A₃NF₆, Zn₂NF₇ 以及A₂PF₇(P=Nb, Ta)等氟化物红光荧光粉专利（U. S. Patent, 2009, 7 497 973； U. S. Patent, 2010, 7 648 649；U. S. Patent, 2010, 7 847 309）。但是，如前所述，Mn⁴⁺离子的发光性质与基质材料紧密相关，具有高发光效率以及优异热稳定性的材料依然匮乏。

发明内容

本发明提供了一类能够被紫外、近紫外以及蓝光有效激发的氟化物红光发射材料，其吸收波长在200-550 nm范围，其发射带宽较窄且分布在610-650 nm范围。其化学组成为：

（1）AMNF₆：Mn⁴⁺，或为

（2）MNF₅：Mn⁴⁺，或为

（3）ARF₄:Mn⁴⁺，或为

（4）Ba₂ZrF₈：Mn⁴⁺；

其中A为Li，Na，K，Rb，Cs，NH₄中的一种或几种的组合；M为Mg，Zn，Ba，Sr，Ca中的一种或几种的组合；N为Al，Ga，In中的一种或几种的组合；R为Sc，Y，Bi以及稀土元素La，Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb中的一种或几种的组合；Mn⁴⁺为发光中心离子，其替代基质材料中N或R或Zr离子的原子百分比为0< Mn⁴⁺≤30 at.%。

本发明提供一种荧光粉组合，其中至少一种为上述氟化物红光发光材料。

本发明提供一种由该类红光发光材料与激发光源组成的发光器件，该器件中至少含有上述任意一种或多种氟化物红光发光材料。

附图说明

图1 实施例1中LiCaAlF₆:Mn⁴⁺荧光粉的激发和发射光谱。

图2 实施例1中NaCaAlF₆:Mn⁴⁺荧光粉的激发和发射光谱。

图3 实施例3中BaAlF₅:Mn⁴⁺荧光粉的激发和发射光谱。

图4 实施例4中LiYF₄:Mn⁴⁺荧光粉的激发和发射光谱。

图5 实施例9中NaGdF₄:Mn⁴⁺荧光粉的激发和发射光谱。

图6 实施例12中Ba₂ZrF₈：Mn⁴⁺荧光粉的激发和发射光谱。

图7 实施例15所制备LED器件的发射光谱。

图8 实施例18所制备LED器件的发射光谱。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行进一步的说明，包括Mn⁴⁺激活氟化物红光荧光粉的制备以及其在白光发光器件中的应用。

对于Mn⁴⁺激活氟化物红光发光材料的制备，可在含有Mn⁴⁺离子的溶液中采用共沉淀的方法制备；或者将基质晶体与K₂MnF₆在氢氟酸中充分搅拌并在一定温度下热处理来实现Mn⁴⁺的掺杂。而K₂MnF₆可通过下述方法进行制备：将0.45 克KMnO₄，9克KHF₂溶于30 ml氢氟酸（40%）中，搅拌20分钟，然后逐步滴入约1.2 毫升H₂O₂，溶液中逐步生成黄色的沉淀，将溶液过滤后得到沉淀物，用丙酮清洗后在80摄氏度烘2小时即得到K₂MnF₆。

实施例1、 ACaAlF₆：Mn⁴⁺（A=Li，Na，K，Rb，Cs）荧光粉的制备

将1.2843克AlCl₃·6H₂O以及以及化学计量比的CaCl₂，碱金属氯化物（LiCl·3H₂O，NaCl，KCl，RbCl和CsCl）加入到20 ml氢氟酸（50%）中，室温下搅拌1小时，然后离心将沉淀物分离，将得到的产物用20 ml丙酮清洗后在90摄氏度烘干即得到ACaAlF₆。通过多次制备得到样品10克。

将上述得到的产物与一定量的K₂MnF₆混合均匀，并加入适量的氢氟酸后搅拌，得到的产物在90摄氏度烘干即可得到ACaAlF₆：Mn⁴⁺（A=Li，Na，K，Rb，Cs）荧光粉。合成中基质晶体ACaAlF₆的原料配比如表1所示，Mn⁴⁺掺杂材料按Mn和Al的摩尔比分别为0.1:9.9，1:9以及2:8制备，其中比例为1:9样品的配比如表2所示。

表1 ACaAlF₆基质材料制备的原料配比

表 2 ACaAlF₆：Mn⁴⁺荧光粉制备的原料配比

实施例2、ACa(Ga, In)F₆:Mn⁴⁺（A=Li，Na，K，Rb，Cs）荧光粉的制备

将化学计量比的AF，MF₂，GaF₃以及InF₃混合均匀，然后在氟化氢气体（纯度 99.9%）的气氛下加热至一定温度并恒温一段时间，然后自然冷却，得到AM(Ga, In)F₆粉末样品。

将上述得到的产物与一定量的K₂MnF₆混合均匀，并加入适量的氢氟酸后搅拌，得到的产物在90摄氏度烘干即可得到AM(Ga, In)F₆:Mn⁴⁺荧光粉。合成基质晶体ACaAlF₆的原料配和工艺条件比如表3所示，Mn⁴⁺掺杂材料合成按Mn和基质晶体中Ga，In量之和的摩尔比分别为0.1:9.9，1:9以及2:8制备，其中比例为2:8样品的配比如表4所示。

表3 ACa(Ga, In)F₆基质材料制备的原料配比

表4 ACa(Ga, In)F₆:Mn⁴⁺荧光粉制备的原料配比

实施例3、MAlF₅：Mn⁴⁺（M = Mg，Zn，Ba，Sr，Ca）荧光粉的制备

将0.7243克AlCl₃·6H₂O和化学计量比的相应氯化物（MgCl₂·6H₂O，ZnCl₂，BaCl₂，CaCl₂和SrCl₂）加入到10 ml蒸馏水中，搅拌30分钟待全部溶解，然后加入氢氟酸(40%) 5ml，搅拌的同时在80度水浴中挥发得到MAlF₅产物。经过多次制备得到样品10克。

将上述产物与一定量的K₂MnF₆混合均匀，并加入适量的氢氟酸后搅拌，得到的产物在90摄氏度烘干即可得到MAlF₅：Mn⁴⁺（M = Mg，Zn，Ba，Sr，Ca）荧光粉。合成中基质晶体MAlF₅的原料配比如表5所示，Mn⁴⁺掺杂材料的合成按Mn和Al的摩尔比分别为0.1:9.9，1:9以及2:8制备，其中比例为2:8样品的配比如表6所示。

表5 MAlF₅基质材料制备的原料配比

表6 MAlF₅：Mn⁴⁺荧光粉制备的原料配比

实施例4、LiEF₄:Mn⁴⁺(R = Y, Tb-Lu)荧光粉的制备

合成的基本程序如下所述，以LiYF₄晶体为例：将0.97 克LiOH·H₂O，10 mL蒸馏水，18 mL油酸(90 wt %)以及30 ml乙醇混合在一起并在室温下搅拌2小时；然后将4克含有1 mmol Y(NO₃)₃的水溶液加入到上述溶液中并搅拌至澄清；接下来，将4 ml NH₄F水溶液（1 mol/L）加入到得到的溶液中并搅拌2分钟。最后，将得到的溶液移入体积为100 ml的水热罐中并加热至130 摄氏度保温6小时，溶液经离心后得到LiYF₄产物。合成基质晶体LiEF₄:Mn⁴⁺(E = Y, Tb-Lu)的原料配比和关键工艺参数如表7所示。

将得到的LiEF₄与一定量的K₂MnF₆混合均匀，并加入适量的氢氟酸后搅拌，得到的产物在90摄氏度烘干即可得到LiEF₄：Mn⁴⁺荧光粉。Mn⁴⁺的掺杂浓度按Mn和E的摩尔比分别按0.1:9.9，1.5:8.5以及3:7的比例制备，其中比例为1.5:8.5样品的配比如表8所示。

表 7 LiEF₄基质材料制备的原料配比和关键工艺参数

表8 LiEF₄:Mn⁴⁺荧光粉制备的原料配比

实施例5、NaYF₄:Mn⁴⁺荧光粉的制备

NaYF₄的制备：首先，将10毫升YCl₃水溶液（0.2 mol/L）加入到20毫升NaCl水溶液中（NaCl的量为2 mmol）并在室温下搅拌30分钟；然后将30毫升NaF的水溶液（NaF的量为25 mmol）加入到上述溶液中，得到的混合溶液移入水热釜中，并在180摄氏度恒温24小时后自然冷却至室温，溶液经离心、乙醇清晰以及80摄氏度干燥后得到NaYF₄。

NaYF₄:Mn⁴⁺的制备：将1.6910克（9 mmol）NaYF₄和0.2471克（1 mmol）K₂MnF₆或1.5031克（8 mmol）NaYF₄和0.4943克（2 mmol）K₂MnF₆或1.3152克（7 mmol）NaYF₄和0.7414克（3 mmol）K₂MnF₆混合均匀，然后分别加入氢氟酸(50%)1.5毫升并搅拌2小时，最后在80摄氏度烘5小时，得到不同Mn⁴⁺掺杂比例的NaYF₄:Mn⁴⁺荧光粉。

实施例6：NaScF₄:Mn⁴⁺荧光粉的制备

NaScF₄的制备：将0.4 mmol ScCl₃加入到20毫升油酸和1-十八烯的混合溶液中（油酸和十八烯的体积比为3:9），将溶液在氮气的保护下升温至160摄氏度并搅拌30分钟然后冷却到室温；然后，将含有1.6 mmol NH₄F和1 mmol NaOH的甲醇溶液5毫升加入到上述溶液中，继续搅拌30分钟；接下来，将溶液升温至310摄氏度并搅拌1小时，最后将溶液降至室温，加入20毫升乙醇后离心分离得到NaScF₄。

NaScF₄:Mn⁴⁺的制备：将1.2955克（9 mmol）NaScF₄和0.2471克（1 mmol）K₂MnF₆或1.1515克（8 mmol）NaScF₄和0.4943克（2 mmol）K₂MnF₆或1.0076克（7 mmol）NaScF₄和0.7414克（3 mmol）K₂MnF₆混合均匀，然后分别加入氢氟酸(50%) 1.5毫升并搅拌2小时，最后在80摄氏度烘5小时，得到不同Mn⁴⁺掺杂浓度的NaScF₄:Mn⁴⁺荧光粉。

实施例7、NaLaF₄:Mn⁴⁺荧光粉的制备

NaLaF₄的制备：将NaF和LaF₃按13:7的摩尔比混合均匀，然后放入铂金坩埚中并升温至900摄氏度待原料溶解并恒温1小时，之后按5摄氏度/分钟的速度降温至600摄氏度，将坩埚取出倒出上层的溶液即可得到NaLaF₄晶体。

NaLaF₄:Mn⁴⁺的制备：将2.1410克（9 mmol）NaGdF₄和0.2471克（1 mmol）K₂MnF₆或1.9031克（8 mmol）NaGdF₄和0.4943克（2 mmol）K₂MnF₆或1.6652克（7 mmol）NaGdF₄和0.7414克（3 mmol）K₂MnF₆混合均匀，然后分别加入氢氟酸(50%) 2毫升并搅拌3小时，最后在80摄氏度烘箱中烘5小时，得到不同Mn⁴⁺掺杂的NaGdF₄:Mn⁴⁺ 荧光粉。

实施例8、NaCeF₄:Mn⁴⁺荧光粉的制备

NaCeF₄的制备：将32 mmol NH₄F溶于20毫升乙二醇中；然后，将2 mmol Ce(NO₃)₃·6H₂O，2 mmol NaNO₃溶于20毫升乙二醇中。将上述得到的两种溶液混合在一起并搅拌30分钟，然后移入到70毫升的水热罐中，在180摄氏度恒温48小时，溶液自然冷却后经离心得到NaCeF ₄。

NaCeF₄:Mn⁴⁺的制备：将2.1519克（9 mmol）NaCeF₄和0.2471克（1 mmol）K₂MnF₆或1.9128克（8 mmol）NaCeF₄和0.4943克（2 mmol）K₂MnF₆或1.6737克（7 mmol）NaCeF₄和0.7414克（3 mmol）K₂MnF₆混合均匀，然后分别加入氢氟酸(50%) 2毫升并搅拌3小时，最后在80摄氏度烘箱中烘5小时，得到不同Mn⁴⁺掺杂浓度的NaCeF₄:Mn⁴⁺荧光粉。

实施例9、NaTF₄:Mn⁴⁺(T=Nd, Sm, Eu, Gd, Tb)荧光粉的制备

NaTF₄(T=Nd, Sm, Eu, Gd, Tb)的制备：将20毫升稀土氯化物（NdCl₃, SmCl₃，EuCl₃，GdCl₃, TbCl₃）的水溶液（浓度为0.2 mol/L）与20毫升含有5 mmol乙二胺四乙酸（EDTA）的水溶液混合在一起并搅拌10分钟，然后，将50 mmol NaF加入到上述溶液中，继续室温下搅拌24小时。最后，将沉淀物离心分离，即可得到NaTF₄(T=Nd, Sm, Eu, Gd, Tb)。

NaGdF₄:Mn⁴⁺的制备：将一定量的NaTF₄(T=Nd, Sm, Eu, Gd, Tb)和K₂MnF₆混合均匀，然后加入适量氢氟酸(50%) 并搅拌3小时，最后在80摄氏度烘箱中烘5小时，得到NaTF₄:Mn⁴⁺荧光粉。合成按Mn和T的摩尔比分别为0.1:9.9，1:9以及1.5:8.5制备，其中比例为1.5:8.5样品的配比如表9所示。

表9 NaTF₄:Mn⁴⁺荧光粉制备的原料配比

实施例10、NaZF₄:Mn⁴⁺（Z = Pr，Dy-Lu）荧光粉的制备

NaZF₄的制备：将8毫升乙醇加入到2毫升含有1.2克NaOH的水溶液中，然后再加入20毫升油酸并搅拌。接下来，将1 mmol稀土硝酸盐（Z(NO₃)₃）和8毫升浓度为1 mol/L的NaF溶液加入到上述溶液中，继续搅拌1小时后移入容积为50毫升的水热罐中并在190摄氏度恒温24小时，沉淀物经离心分析后得到NaZF₄。

NaZF₄:Mn⁴⁺的制备：将上述得到的产物与一定量的K₂MnF₆混合均匀，并加入适量的氢氟酸后搅拌，得到的产物在90摄氏度烘干即可得到NaZF ₄:Mn⁴⁺荧光粉。合成按Mn和Z的摩尔比分别为0.8:9.2，1:9以及3:7制备，其中比例为0.8:9.2样品的配比如表10所示。

表10 NaZF₄:Mn⁴⁺荧光粉制备的原料配比

实施例11、KXF₄:Mn⁴⁺(X = Y, La-Gd)荧光粉的制备

KXF₄的制备：将1 mmol K(CF₃COO)和1 mmol X(CF₃COO)₃加入到40毫升油酸(OA)、油胺(OM)以及1-十八烯（ODE）的混合溶液中。溶液在氩气的保护下升温至120摄氏度恒温30分钟，然后进一步升温至260-300摄氏度并恒温60分钟，最后待溶液自然冷却后加入乙醇40毫升，将溶液离心分离后即得到KXF₄。具体的原料配比和反应温度等参数如表11所示。

KXF₄:Mn⁴⁺的制备：将上述得到的一定量KXF₄和K₂MnF₆混合均匀（X和Mn的摩尔比例为7:3），然后加入适量氢氟酸(50%) 并搅拌3小时，最后在80摄氏度烘箱中烘5小时，得到KXF₄:Mn⁴⁺荧光粉，合成按Mn和X的摩尔比分别为1:9，1.5:8.5以及3:7制备，其中比例为1.5:8.5样品的配比如表12所示。

表11 KXF₄基质晶体水热法制备的原料配比

表12 KXF₄:Mn⁴⁺荧光粉制备的原料配比

实施例12、Ba₂ZrF₈：Mn⁴⁺荧光粉的制备

Ba₂ZrF₈的制备：将1.4392克ZrO₂溶于35毫升氢氟酸（40%）中，在60摄氏度的油浴中搅拌24小时；然后将2.3040克BaCO₃逐步加入到上述溶液中并在80摄氏度的油浴中挥发至完全干燥，得到的产物经丙酮洗涤后再80摄氏度烘24小时，得到Ba₂ZrF₈。

Ba₂ZrF₈:Mn⁴⁺的制备：将4.6608克（9 mmol）Ba₂ZrF₈和0.2471克（1 mmol）K₂MnF₆或4.1429克（8 mmol）Ba₂ZrF₈和0.4943克（2 mmol）K₂MnF₆或3.6251克（7 mmol）Ba₂ZrF₈和0.7414克（3 mmol）K₂MnF₆混合均匀，然后分别加入氢氟酸(40%)3毫升，搅拌2小时后在80摄氏度的烘箱中干燥24小时，得到不同Mn⁴⁺掺杂浓度的Ba₂ZrF₈:Mn⁴⁺荧光粉。

实施例13-20 白光LED发光器件的制造

将本发明实施例中的LiYF₄:Mn⁴⁺红光荧光粉与市售绿光荧光粉按一定比例均匀分散在环氧树脂中，经混合脱泡处理后得到的混合物涂覆在市售的蓝光LED芯片上（发光波长445 nm），经150摄氏度0.5小时烘干后，完成器件的封装。通过调整绿粉与红粉的比例，可得到不同色温和显色指数的白光LED器件（各发光材料的比例根据本领域技术人员的实验技能，通过简单实验即可得出），表13给出了不同荧光粉配比所制备器件的显色指数、相关色温以及辐射光视效能等参数。图7给出了实施例15和18所制备白光器件的发射光谱。

表13 不同荧光粉配比所制备白光LED器件的光电参数

Claims

1.一类氟化物荧光粉体材料，其化学组成为：

（1）AMNF₆：Mn⁴⁺，或为

（2）MNF₅：Mn⁴⁺，或为

（3）ARF₄:Mn⁴⁺，或为

（4）Ba₂ZrF₈：Mn⁴⁺；

其中A为Li，Na，K，Rb，Cs，NH₄中的一种或几种的组合；M为Mg，Zn，Ba，Sr，Ca中的一种或几种的组合；N为Al，Ga，In中的一种或几种的组合；R为Sc，Y，Bi以及稀土元素La，Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb中的一种或几种的组合；Mn⁴⁺为发光中心离子。

2.根据权利要求1所述的氟化物荧光粉体材料，其特征在于：所述的Mn⁴⁺离子替代基质材料中N或R或Zr离子的原子百分比为0< Mn⁴⁺≤30 at.%。

3.一类荧光粉组合，含有至少一种如权利要求1或2所述的荧光粉体材料。

4.一种半导体发光器件，由半导体光源和荧光粉组成，且荧光粉含有至少一种如权利要求1或2所述的荧光粉体材料。

5.如权利要求4所述的半导体发光器件，其特征在于：所述半导体光源的发射波长为350-500 nm。

6.如权利要求4所述的半导体发光器件，其特征在于：所述半导体光源为氮化物半导体材料，其化学式为In_iGa_jN_k，其中0≤i，0≤j，0≤k，且i+j+k=1。

7.如权利要求4所述的半导体发光器件，其特征在于：所述半导体光源为有机化合物。