半导体照明复习提纲及答案PPT课件.ppt

半导体照明要点1 照明灯用发光材料应具备的条件 照明灯用发光材料应具备的首要条件就是必须具有强的耐紫外光辐照能力 还要求材料能高效地将吸收的紫外光能量下转换成低能量的可见光 即转换成红光 绿光或蓝光 2 发光材料的组成 发光材料是由主体化合物和活性掺杂剂组成的 其中主体化合物称作发光材料的基质 在主体化合物中掺入的少量甚至微量的具有光学活性的杂质叫激活剂 发光材料是由基质 激活剂组成 3 基质化合物应具备的条件 作为基质化合物至少应具备如下基本条件 1 基质组成中阳离子应具有惰性气体元素电子构型 或具有闭壳层电子结构 2 阳离子和阴离子都必须是光学透明的 3 晶体应具有确定的某种缺陷 4 发射光谱 发射光谱 亦称发光光谱 可以表征发光材料的发光强度 最强谱峰位置和发射光谱形状 能反映出发光中心的种类及其内部跃迁能级 1 5 激发光谱 激发光谱是用以表征所吸收的能量中对发光材料产生光发射有贡献部分的大小和波长范围 6 吸收光谱的测定 吸收光谱是荧光体吸收的能量与入射光波长之间的关系图谱 是以样品整体的光吸收强度对入射光波长作图得到的 7 斯托克斯位移 发射光谱波长比激发光谱波长长 即发射光子的能量通常小于激发光子的能量 这种规律称为斯托克斯定律 StokesLaw 即大多数情况下吸收能量高于发射的能量 通常将二者能量差称为斯托克斯位移 StokesShift 8 反斯托克斯位移 与斯托克斯定律相反 有时发光光子的能量会大于激发光子的能量 这种现象被称作反斯托克斯发光 Anistokesluminescence 9 发光效率 发光效率是指发光材料产生的发射能量与激发能量之比 即指激发能量转换为发射能量的效率 根据研究需要 发光效率可用能量效率表示 也可用量子效率表示 2 10 二次色光 人眼对进入视网膜的任何两种颜色光 都具有加色混合的作用 使两种颜色的光形成一种新颜色的光 这种光称作二次色光 11 三基色 红 绿和蓝色光是形成二次色光的基础光色 物体同时发射或反射出不同波长与强度的光 可通过对红 绿和蓝三种锥状体和杆状体感光细胞造成不同程度的刺激 产生多种颜色感应 故将红 绿和蓝色光称作光的 三基色 实际三基色是任意选定的 但它们之间却是相互独立的 即是说 三基色中的任一种光色无法通过另外二种以任何比例任何方式加色混合而得到 12 互补色 加色混合的两种光色称作光的 互补色 如黄色光为蓝色光的补色光 同理 蓝色光也称作黄色光的补色光等 13 色度图 1931年国际照明委员会根据人眼对照明光源各波长的感光能力 对不同光色以数学量化的方式 通过坐标系变换 在一个直角坐标系中绘制出一幅马蹄形 或视为舌形 区域图 用数值表示出光之颜色 即光色 3 14 显色性 显色性 光源能使被照射物体呈现出其真实颜色的程度称之为该光源显色性 太阳光照射下物体方能显现出最真实颜色 显色性定量化表示称为显色指数 而显色指数求得须由CIE色度图上算出色差值 因此 色度图是获取显色性信息的基础 15 浓度猝灭 发射强度降低至某个值时的激活剂浓度称作该荧光体的发光猝灭浓度 这一现象叫浓度猝灭 发光强度最大时激活剂浓度又称临界浓度 超过这一浓度值 发射强度开始下降 所以这一值是发射强度最强的最佳浓度值 浓度猝灭 其本质是杂质猝灭引起的发射强度下降 16 温度猝灭 超过一定温度发光强度会迅速下降 这一现象称作温度猝灭 这一温度称作临界温度 温度猝灭可解释为 温度升高声子能量增高 跃迁几率下降 吸收强度降低 发射过程中处于激发态的电子放出声子弛豫到较低能级 发射强度降低 117 白光LED 白光LED即为产生白光发射的发光二极管 WhiteLightEmittingDiodes 18 白光LED的获取方式 依照目前已有技术 获取白光LED方式大体有四种 1 多芯片组合方式 即光色混合成白光LED 2 单一芯片荧光体转换的白光LED 3 单一芯片非荧光体转换的白光LED 4 量子阱白光LED 4 19 荧光体转换白光LED的获取方式 荧光体转换的白光LED获取的方法是 将一块半导体芯片与荧光体组合 通过荧光体将芯片发出的短波长的光 部分地或全部地转换成可见光 最后复合成白光 这种光能量转换属高能量向低能量转换 即属下转换 这种荧光体转换的白光LED 通常缩写成pc LED pc LED的获取主要有三种方式 1 1 pc LED 2 2 pc LED3 3 pc LED 20 晶体结构的测定 粉末X射线衍射 粉末X射线衍射 XRD 1 粉末X射线衍射图 2 JCPDS卡片 测得衍射图 常常采用比对法确认未知样品的化合物的所属晶系 21 粒度 粉体荧光材料的粒度检测 属材料形貌分析 粒度常以 粒径 或 平均粒径 表示 粒度是 通过颗粒重心连接颗粒表面两点间线段长度的平均值 然而 粒度的概念也只是针对一个颗粒大小而言的 22 粒度的测量 粒度分布是指粉体样品中各种 粒径 大小颗粒占总质量的比例 测量粒度分布的仪器目前主要使用的是激光粒度计 此外 还有沉淀法 电阻法颗粒计数器等 5 23 荧光粉形貌鉴定的方法 颗粒形貌与大小是影响材料性能的重要因素之一 尤其是纳米发光材料研究的开展 形貌测量显得更为重要 X射线衍射法得到的是平均结构信息 以电子代替光 利用电子衍射来解析结构和颗粒形貌 可以获得详细信息 如颗粒大小 形状 缺陷和相变等 24 激发光谱的测定 激发光谱利用荧光光度计可直接测定 具体测定方法虽然大体都相同 但由于仪器不同 甚至同一台仪器 所测结果也会有差异 因此仪器校正非常重要 方便的测量方法是以波长254nm激发 先测得待测样品的一张粗查的发射光谱图 从图上选取最强的发射峰 以其波长作监测 从200nm扫描 作出的图视为激发谱 25 发射光谱的测定 发射光谱是指荧光粉被某波长的光照射 激发 时产生荧光 该荧光发射强度随发射波长变化的扫描图谱 具体测量方法是 用已选定的波长作激发波长 从适当的波长位置 视激发截止波长位置而定 开始扫描 视所使用的仪器情况及对发射波长截止位置估测情况 一般扫描至800nm即可 有时为了进一步确认激发和发射峰位置 从发射谱峰中选出最强峰作监测波长 再从200nm开始扫描作激发谱 6 26 发光亮度的测量 一般采用照度计法测定荧光粉的相对亮度 所谓 相对亮度 是指 在特定波长光稳定激发下 待测荧光粉与同一牌号的参比荧光粉 光谱功率分布相同 的亮度之比 由测量结果计算出相对亮度 B Ic I 100 27 定域能级 在实际晶体中 由于存在各种杂质 缺陷以及晶体表面和界面 都有可能破坏晶格的周期性 而在这些周期性遭到破坏的地方 有可能产生一些特殊的能量 在禁带中形成某些束缚态 当部分电子或空穴被束缚在这些区域附近时 形成了一些能量值在禁带中的特殊能级 称为定域能级 7 28 YAG发光的过程 发光体中可激系统 发光中心 基质和激子等 吸收能量以后 从基态跃迁到较高能量状态的过程称为激发过程 受激系统从激发态跃迁回基态 而把激发时吸收的一部分能量以光辐射的形式发射出来的过程 29 自发发光 发光中心直接激发与发光发光中心吸收能量后 电子从发光中心的基态A直接跃迁到激发态G 过程1 当电子从激发态G回到基态A 过程2 激发时所吸收的部分能量以光辐射的形式发射出来 这种发光成为自发发光 8 30 受迫发光 若发光中心受激后 电子不能从激发态G直接回到基态A 禁戒的跃迁 而是先经过亚稳态M 过程2 然后通过热激发从亚稳态M跃迁回到激发态G 过程3 最后回到基态A发射出光子的过程 过程4 称为受迫发光 31 激子 晶体在受到激发时 电子从价带跃迁到价带 在价带留下空穴 电子和空穴都可以在晶体中自由运动 但是 电子和空穴由于库仑力的作用会形成一个稳定的态 这种束缚着的电子 空穴对 称为激子 32 YAG的制备方法 目前工业上合成荧光粉仍以高温固相法为主 同时燃烧法 溶胶 凝胶法 共沉淀法 喷雾热解法等也逐渐应用到工业生产中 33 溶胶 所谓溶胶是指分散在液相中的固态粒子足够小 1nm 100nm 以致可以依靠布朗运动保持无限期的悬浮 34 凝胶 凝胶是一种包含液相组分而具有内部网络结构的固体 其中的液体与固体呈现高度分散的状态 9 35 Ce掺杂浓度 焙烧温度 对YAG发射光谱的影响 1 Y3 xCexAl5O12荧光粉的激发和发射光谱的峰值和峰形不随掺杂浓度的改变而变化 但相对强度在x 0 06时 达到最大值 随后出现减弱趋势 2 粉体的发射强度随着烧结温度的增加而增强 这是由于颗粒的结晶度随着焙烧温度的增加而增强 颗粒结晶度的增强引起发光强度的增强 另外还发现 随着热处理温度的增加 发射峰明显的向长波方向移动 36 热处理时间对YAG粉体荧光强度的影响 荧光粉的发光亮度随热处理时间的延长而降低 这是由于YAG Ce荧光粉中三价铈被空气中的氧气氧化形成Ce4 所致 37 酸碱处理对YAG荧光粉发光性能的影响 经硝酸或氢氧化钠处理后 荧光粉的发光强度都有所下降 而且 处理时间越长 发光强度下降的越多 其中 经硝酸处理后 荧光粉的发光强度下降的幅度更大 经氢氧化钠处理后 可能导致部分荧光粉被溶解 从而引起荧光强度的降低 而经硝酸长期浸泡后 部分荧光粉可能被溶解 同时 三价铈可能被氧化 所以 经过硝酸处理后的荧光粉的荧光强度降低的更多 10 38 硅酸盐发光体系的荧光材料有哪些 硅酸盐体系发光材料主要包括碱土正硅酸盐 含镁正硅酸盐及焦硅酸盐等 正硅酸盐主要包括二元体系正硅酸盐和含镁的三元体系正硅酸盐 39 硅酸盐二元体系发光材料的光谱的特性 300nm以下的紫外光都可有效的激发Zn2SiO4 Mn 或Zn2SiO4 Mn As 发光 大于300nm的紫外光 不能激发材料发光 发光光谱中 在525nm处是一窄带 随着Mn含量的增加 谱带会加宽 碱土正硅酸盐也能实现发光 不同碱土金属离子的配合能实现不同的发光颜色 40 助溶剂的作用 助熔剂起着降低基质结晶温度和电荷补偿以促进激活剂形成发光中心的作用 11 41 硅酸盐发光材料的应用特性 1 激发波长较宽 在300nm 500nm均为有效激发 可以被近紫外 紫光及蓝光芯片所激发 所以作为白光LED的应用极为广泛 2 发光颜色极为丰富 覆盖从505nm的蓝色光区到560nm的黄色光区 可以满足不同的应用要求 3 硅酸盐发光材料物理 化学性能稳定 抗潮 不与封装材料 半导体芯片等发生作用 耐紫外光子长期轰击 有更低的光衰 4 光转化效率高 结晶体透光性好 12 42 氧化铝的纯度 粒度及形貌对荧光粉发光性能的影响 1 氧化铝的纯度对产品的性能影响很大 不同纯度的氧化铝制得的YAG荧光粉 发光效率有明显的差别 用纯度较低的化学纯Al2O3烧成的样品 表面颜色为暗黄色 而且内部有暗色不发光颗粒 收缩也差 激发发射强度很低 而采用纯度为99 9 的Al2O3烧成的YAG样品 颜色均匀 鲜艳的黄色 发光效率明显提高 2 荧光粉是高温固相反应生成的产物 配合蓝光芯片进行封装产生白色的发光 在封装制备过程中 要在芯片上涂上薄而致密的一层YAG荧光粉和透明树脂胶的混合物 大粒度的YAG荧光粉容易在胶体中产生沉淀 影响使用 而粒度太小 发光效率又会降低 所以为了获得较好的发光效率 在LED封装制备的应用中要求的YAG荧光粉的颗粒度适中 约为5 10 m 且粒度分布尽量的窄 13 3 YAG粉的形貌和尺寸对于获得高亮度的LED是一个很重要的影响因素 对于发光体来说 最理想的发光体应该是形貌规则的 并且形状规则 大小均一 具有规则形状的YAG具有很高的堆积密度 可以减少光的散射 获得较高的发光效率 其次 形状规则近似球形的YAG具有最小的受逆面积 使不规则发光层最小化 因此具有较长的发光寿命 43 配比组成的均匀性和活性对荧光粉性能的影响 按照化学计量比准确称取一定量原料 然后充分的混合 在混料的时候 适当的混料方式 研磨罐的材质 混料时间 料和球比例 磨球的级配 研磨机转速等方面对合成荧光粉的性能都有一定的影响 荧光粉的发光效率主要取决于基质 一般根据基质的组成确定所需原料的配比和类型 但原料及前驱物的反应活性也决定着最终荧光粉的质量 14 44 烧结工艺对荧光粉发光性能的影响 在合成反应过程中反应温度和合成温度曲线共同决定了产物的粒径和晶型 一般温度的高低决定了产物荧光粉的粒径的大小 温度曲线即升降温的速度决定着荧光粉的晶型 如何在较低的温度下合成出质量优良 即晶粒发育完全 合理 对此我们进行了一系列的探索 比如在YAG的合成反应中需要将Ce4 还原成Ce3 还原进行的是否完全严重影响荧光粉的质量 包括亮度 光谱和色品坐标 15 45 YAG粉体颗粒的修饰方法有哪些 修饰方法主要有 1 通过