[发明专利]用于紫外光激发白光LED的透明玻璃陶瓷材料及其制备技术

说明书

技术领域

本发明涉及固体发光材料领域，尤其是涉及一种能够在紫外光激发条件下实现多色(包括白光)可调谐发光的稀土掺杂透明玻璃陶瓷及其制备技术。

技术背景

近年来，具有节能、耐用等独特优势的白光发光二极管(LED)照明灯引起人们的极大关注。目前，用白光LED替代传统的白炽灯和荧光灯已逐渐成为一种趋势。目前常见的商用白光LED是由蓝光GaN芯片和掺Ce³⁺的钇铝石榴石(YAG)荧光粉封装在一起制成的，荧光粉混合于环氧树脂中并涂覆于芯片上。GaN LED芯片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，使其受激发出黄光，而未被吸收的蓝光与荧光粉发出的黄光混合，便得到白光。由于蓝光芯片与YAG荧光粉的发光寿命不一样，使用一段时间后，LED的发光会产生色差。为了解决该问题，可以通过采用紫外光芯片涂覆特殊荧光粉的方式来制造白光LED。此时，芯片发出的不能被肉眼所见的紫外光被荧光粉完全吸收，使荧光粉受激发射蓝光和黄光(或红、绿、蓝三色光)，混合后得到白光。采用这种技术可以基本避免产生色差，但由于环氧树脂在紫外光长期照射下会出现老化，将使白光LED器件的使用寿命变短。研发在紫外光激发下发射强烈白光、且耐紫外光辐照(结构、性能稳定)的新型固体发光材料，是国际上发展白光LED技术的最新方向[Y.Zheng，A.G.Clare，Phys.Chem.Glasses.，46，467(2005)]。

稀土掺杂的透明氟氧化物玻璃陶瓷由无机玻璃态材料发生部分晶化而得，其结构特征是特定的氟化物纳米晶均匀镶嵌于玻璃基体中。作为一类新型固体发光材料，它综合了氟化物晶体与玻璃材料的优点，可具有与晶体相近甚至更好的光学性能，而又有类似于玻璃材料制备技术简单、热稳定性和化学稳定性高的优势。在紫外光激发下发射强烈白光的透明玻璃陶瓷可以加工成平板状直接覆盖在芯片上，因此，可望用来替代常规的荧光粉构建新型白光LED器件。与常规LED器件相比，这种新型器件将具有光色稳定、使用寿命长的显著优点。

本发明涉及一类稀土离子掺杂的含氟化铈(CeF₃)纳米晶的透明玻璃陶瓷及其制备技术。本发明在含CeF₃纳米晶玻璃陶瓷中掺入稀土离子作为发光中心，通过控制CeF₃的晶化条件，使稀土离子进入CeF₃纳米晶中。选择CeF₃作为稀土发光中心基体的原因是Ce³⁺离子在紫外区域存在电偶极允许的4f-5d跃迁，因而对紫外光具有非常强的吸收截面。此外，Ce³⁺离子易于将吸收的紫外光能量传递给其它稀土离子从而产生高效的可见光发射。测试结果表明，本发明玻璃陶瓷中的Ce³⁺离子被紫外光激发后，将能量传递给富集在CeF₃纳米晶中的稀土离子，从而产生高效的多色(包括白光)可调谐发光。

发明内容

本发明提出一种稀土掺杂的含CeF₃纳米晶透明玻璃陶瓷的组分及其制备工艺，目的在于制备出可望应用于新型白光LED器件、具有多色可调谐发光特性的固体发光材料。

本发明的透明玻璃陶瓷的组分和摩尔百分含量如下：

SiO₂：40-60mol％；Al₂O₃：10-30mol％；CeF₃：5-25mol％；NaF：0-15mol％；LiF：0-15mol％；ReF₃：0.01-5mol％；MSO₄：＜0.5％；Fe：＜0.02％。其中，Re代表稀土离子(如Eu，Tb，Dy等)，M代表Mg或Ca或Ba或Sr；NaF和LiF含量不同时为0。该玻璃陶瓷具有如下显微结构特征：在玻璃基体中均匀分布六方结构的CeF₃纳米晶，晶粒尺度为10-15纳米，掺杂的稀土离子偏聚于CeF₃纳米晶中。

本发明的玻璃陶瓷采用熔体急冷法和后续热处理制备。

本发明采用的熔体急冷法和后续热处理包括前驱玻璃制备以及前驱玻璃的晶化处理两个步骤。所述的前驱玻璃的晶化过程中，热处理温度为600℃-720℃。

通过改变稀土掺杂，本发明的玻璃陶瓷在紫外光激发下可产生强烈的多色(包括白光)可调谐发光。

本发明的玻璃陶瓷制备工艺简单、成本低廉，无毒无污染，具有良好的热学和化学稳定性，可望开发应用于构建紫外芯片激发的新型白光LED器件。

附图说明

图1是实例1玻璃陶瓷的X射线衍射图谱；