廣東工業大學Advanced Optical Materials: Na取代Rb優化用于液晶顯示背光應用的高性能窄帶綠色熒光粉

研究背景

熒光粉轉換型白光LED由于其低功耗、長壽命和低成本等優點，廣泛應用于液晶顯示器的背光源。顯示器能夠顯示的色彩范圍，即色域，對于顯示應用是一個至關重要的指標。色域越寬廣，顯示器能夠顯示的顏色就越豐富，顯示的效果也就越豐富多彩。實現廣色域顯示的關鍵是紅、綠、藍三色熒光粉具有合適的發射峰位、窄的發射寬度(相應于高的色純度)、高的發光量子效率和優異的發光熱穩定性。就綠粉而言，其發射半高寬應該盡可能窄，發射峰值波長應盡可能靠近CIE1931色度圖的左上角(約525 nm)。為了擴大顯示器色域，高效寬激發窄發射綠色熒光粉成為近年來研究的熱點。目前商業上液晶顯示背光源采用的主要組合是：460 nm藍光芯片+綠粉β-SiAlON:?Eu²⁺+紅粉K₂SiF₆:?Mn⁴⁺。其中，綠粉β-SiAlON:?Eu²⁺的峰值波長約540 nm，半峰寬約54 nm，還有很大的提升空間。為了進一步實現高性能的廣色域顯示，人們正在積極開發具備更適宜發射峰位和更窄發射寬度的高性能綠色熒光粉。

成果簡介

近日，廣東工業大學博士研究生廖敏（第一作者）、牟中飛正高級實驗師（通訊作者）、吳福根教授（通訊作者）報道了一種Eu²⁺摻雜的氧化物綠色熒光粉Rb₃M(Li₃SiO₄)₄: Eu²⁺ (M = Rb或Na)。該團隊基于UCr₄C₄類型的結構模型，研究了具有寬帶激發和窄帶發射的綠色熒光粉Rb₃M(Li₃SiO₄)₄:?Eu²⁺（M = Rb 或 Na）。Na取代Rb導致晶體結構的局域環境發生改變，Rb₃Na(Li₃SiO₄)₄: Eu²⁺（R₃NLSO: 8%Eu²⁺）和Rb₄(Li₃SiO₄)₄: Eu²⁺?(R₄LSO: 8%Eu²⁺)相比，前者中Eu²⁺發光的斯托克斯位移減小，同時發光量子效率獲得了顯著提升。Na取代Rb導致局域晶體場環境改變的另一方面有益效果是結構剛度增強、熱穩定性和化學穩定性得到明顯改善。R₃NLSO: 8%Eu²⁺窄帶綠色熒光粉的發射峰位為527 nm (商用β-SiAlON:?Eu²⁺為540 nm)，半峰寬僅為42 nm(商用β-SiAlON:?Eu²⁺為54 nm)，具有較高的內/外量子效率（85.3%/40.4%）和優異的發光熱穩定性(150 °C時積分發射強度仍保持在室溫的102%)。使用R₃NLSO: 8%Eu²⁺作為綠色熒光粉封裝的白光LED具有128.3 lm/W的高發光效率和103.5% NTSC的廣色域。雖然Rb的存在導致R₃NLSO: 8%Eu²⁺的化學穩定性較差，但可以通過表面修飾的方法解決。本工作不僅為液晶顯示背光源提供了一種有前景的寬激發窄發射綠色發光材料，而且也為含易水解堿金屬離子發光材料的性能優化提供了可靠的改進方向。本文獲取的一些技術經驗也可以擴展應用到其他研究領域以獲得性能更加優異的新材料。

圖文導讀

圖1?晶體結構與XRD結構精修

?a) Rb₂Li₂(Li₃SiO₄)₄、Rb₂Na₂(Li₃SiO₄)₄和Rb₃M(Li₃SiO₄)₄(M = Rb或Na)的晶體結構圖；

b) R₄LSO的XRD結構精修；

c) R₃NLSO的XRD結構精修。

圖2?光譜、壽命和量子效率

a) R₄LSO: 8%Eu²⁺和R₃NLSO: 8%Eu²⁺的激發和發射光譜；

b) R₄LSO: 8%Eu²⁺和R₃NLSO: 8%Eu²⁺的衰減曲線；

c) R₄LSO: 8%Eu²⁺的量子效率圖；

d) R₃NLSO: 8%Eu²⁺的量子效率圖。

圖3?發光熱穩定性

a) R₄LSO: 8%Eu²⁺在室溫至250 °C的發射光譜；

b) R₄LSO: 8%Eu²⁺的積分發射強度、峰值強度和半峰寬隨溫度升高的變化曲線；

c) R₃NLSO: 8%Eu²⁺在室溫至250 °C的發射光譜；

d)R₃NLSO: 8%Eu²⁺的積分發射強度、峰值強度和半峰寬隨溫度升高的變化曲線。

圖4?封裝的LED器件的性能

a) 用窄帶綠色熒光粉R₃NLSO: 8%Eu²⁺制備的LED器件在20 mA電流下的電致發光光譜；

b) 制備的LED器件的色域。

圖5表面修飾增強材料的化學穩定性

a) R₄LSO: 8%Eu²⁺和R₃NLSO: 8%Eu²⁺表面修飾前后的熒光粉浸泡在水中用日光和365 nm紫外燈照明下的圖片；

b) R₄LSO: 8%Eu²⁺和R₃NLSO: 8%Eu²⁺表面修飾前后的熒光粉浸泡在水中時的歸一化發射強度。

文獻鏈接：Na Replaces Rb towards High-Performance Narrow-Band Green Phosphors for Backlight Display Applications?(Advanced Optical Materials,?2021, 2100465, https://doi.org/10.1002/adom.202100465)。

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