场发射(FED)用荧光粉的研制与改性

场发射平板显示器（Field Emission Displays, FED）是一种新发展起来的平板显示器，由于其在亮度、视角、响应时间、工作温度范围、能耗等方面具有优良的特性，成为近年新型显示器研究的热点之一。为实现高效的FED红、绿、蓝全色显示，荧光粉在其中起着十分重要的作用。制备性能优良的场发射用彩色荧光粉是决定将来FED技术成功与否的关键因素之一。 本论文研究的内容包括场发射(FED)用荧光粉的研制和改性工作。在场发射(FED)用荧光粉研制方面，采用溶胶-凝胶方法，制备了一系列新型场发射(FED)用荧光粉，包括稀土离子激活的镓酸镧 [(LaGaO3: Re3+ (Re = Eu, Tb, Dy, Tm, Sm)]体系、铟酸钙[(CaIn2O4: Re3+ (Re = Eu, Pr, Tb, Dy,)]体系、铟酸锶[(SrIn2O4: Re3+ (Re = Pr, Tb, Dy)]体系、镓酸镥[Lu3Ga5O12:Re3+ (Re = Eu, Tb，Pr)]体系，并研究了Pr, Sm, Eu, Tb, Dy, Tm等稀土离子在这些基质中的光致发光、低压阴极射线发光性质和能量传递等性质。在荧光粉的改性方面，采用喷雾热解法制备了Sr2CeO4球形场发射用荧光粉，研究了喷雾前驱体溶液中，聚乙二醇浓度、金属离子浓度、烧结温度对形貌及发光性能的影响；采用溶胶－凝胶方法成功将SiO2表明包覆一层CaTiO3:Pr3+, Y3Al5O12:Ce3+/Tb3+荧光粉，得到单分散，球形形貌，分布均匀，具有核/壳结构的球形荧光粉；另外研究了不同的制备方法对Ga2O3:Dy3+荧光粉的发光性能的影响。所得样品用XRD、FTIR、SEM、TEM、漫反射光谱、光致发光(PL)光谱、荧光寿命曲线、低压阴极射线(CL)光谱等进行表征。 在紫外光激发下，稀土离子激活的镓酸镧彩色荧光粉有基质(LaGaO3)的发射和稀土离子(Eu3+, Tb3+, Dy3+, Tm3+, Sm3+)的特征发射，研究表明在基质和稀土离子之间存在能量传递，其能量传递效率因离子而异。在阴极射线激发下，样品仅有稀土离子(Eu3+, Tb3+, Dy3+, Tm3+, Sm3+)的特征发射。如：LaGaO3: Eu3+发红光，LaGaO3: Dy3+发白光，LaGaO3: Tm3+发蓝光，LaGaO3: Sm3+发黄光，LaGaO3: Sm3+,Tb3+发白光。LaGaO3: Tb3+的发光颜色可通过不同Tb3+的掺杂浓度从蓝光到绿光进行调控。在相同的激发条件下，所制备的蓝光发射的LaGaO3: Tb3+和LaGaO3: Tm3+荧光粉与商业FED用蓝粉(Y2SiO5: Ce3+，日亚化学工业株式会社，NP-1047)相比具有更好的色纯度和更高的发光效率；所制备的黄光发射的LaGaO3: Sm3+荧光粉与商业低压黄色荧光粉((Zn,Cd)S: Ag，日亚化学工业株式会社，NP-1020)相比，色纯度接近，但具有更高的发光效率。并首次实现了单一基质中白光发射(LaGaO3: Sm3+,Tb3+), 所制备的稀土离子激活的镓酸镧彩色荧光粉[(LaGaO3: Re3+ (Re = Eu, Tb, Dy, Tm, Sm )]在场发射器件有潜在的应用。 在稀土离子掺杂的Sr/CaIn2O4荧光粉体系中，在基质Sr/CaIn2O4和掺杂离子Pr3+/Tb3+/Dy3+存在高效能量传递。基质Sr/CaIn2O4吸收能量向激活离子Pr3+/ Tb3+/Dy3+传递，发射为稀土离子Pr3+/Tb3+/Dy3+的特征发射，发光强度、荧光寿命等符合应用要求，在低压电子束激发下，Sr/CaIn2O4: Pr3+/Tb3+/Dy3+荧光粉为稀土离子的特征发射，其低压阴极射线发光(CL)光谱与光致发光(PL)发射光谱一致，CL强度随激发电压，电流密度增加而增强。 对于CaIn2O4:Eu3+荧光粉，进一步研究表明CaIn2O4:Eu3+荧光粉的光致发光和阴极射线发光颜色可以通过掺杂不同浓度的Eu3+从白光，黄光，到红光进行调控。低浓度掺杂发白光，高浓度掺杂发红光，适当的浓度发黄光。 在Lu3Ga5O12:Re3+ (Re = Eu, Tb，Pr)荧光粉体系中，在紫外（UV）和低压阴极射线激发下，所制备的荧光粉Lu3Ga5O12: Eu3+, Lu3Ga5O12: Pr3+为稀土离子Eu3+, Pr3+的特征发射，分别发黄光和绿光。Lu3Ga5O12:Tb3+的发光颜色因Tb3+掺杂浓度不同而不同，低浓度掺杂发蓝光，高浓度发绿光。 Sr2CeO4荧光粉在UV及低压阴极射线激发下发出强烈蓝光，源于配体到金属离子电荷迁移带跃迁(Ce4+-O2-)。其阴极射线发光强度与电压及灯丝电流呈良好的线性关系。 采用溶胶－凝胶方法的核壳结构的SiO2@CaTiO3:Pr3+和SiO2@Y3Al5O12: Ce3+/Tb3+荧光粉, FESEM和TEM结果表明这种核壳结构的发光材料表面致密，厚度均匀，保持了单分散SiO2微球的形貌特征。在UV及低压阴极射线激发下，SiO2@CaTiO3:Pr3+呈强红色发射，源于Pr3+ 的1D2—3H4 (612 nm)跃迁；SiO2@Y3Al5O12:Ce3+和SiO2@Y3Al5O12:Tb3+ 分别发黄绿光和绿光，源于Ce3+的5d-4f和Tb3+的5D4-7FJ (J = 6, 5, 4, 3)跃迁。PL强度可以通过包覆次数调控，CL强度随激发电压及灯丝电流增加而增强。 在Ga2O3:Dy3+荧光粉体系中，采用了溶胶-凝胶，氨水共沉淀，和高温固相法制备了Ga2O3:Dy3+荧光粉并比较了他们的结晶行为，形貌，光致发光和低压阴极射线发光性能。溶胶-凝胶法制备由于原料在分子层次上混合，可以得到纯相，氨水共沉淀和高温固相法原料不如溶胶凝胶法混合均匀，很难得到纯相。溶胶-凝胶和氨水共沉淀所得荧光粉为纳米级别大小，分别呈球形和玉米棒形状；高温固相法微米级别且呈不规则形状。Ga2O3向Dy3+传递能量效率依次按溶胶-凝胶，氨水共沉淀，和高温固相法逐渐降低。在紫外光激发下，分别发白光，蓝白光，蓝光。其低压阴极射线发光与光致发光类似。相比之下，溶胶-凝胶法制备Ga2O3:Dy3+荧光粉比氨水共沉淀和高温固相法制备要好。