荧光粉的发光原理_技术发展史_开发现状及课题.pdf

荧光粉的发光原理、技术发展史、开发现状及课题 国本 崇(日)著 辛相东译 摘 要 荧光粉是一种能将外部能量转变为光的物质。荧光材料广泛应用于照明、显示、X射线探测 系统等领域。它是当今一类重要的高性能材料。本文将阐释荧光粉的发光原理, 并介绍它的开发 历史和现状。 关键词 荧光粉 发冷光 量子力学 稀土元素 荧光灯 引言 荧光粉是一种将外部提供的能量转变为光的材 料,广泛用作转换至人眼能够看到的可见光的物质, 成为照明、显示领域中重要的支撑材料。因为射入我 们眼中的光是由荧光粉发出的,所以可以说亮度、色 彩等最终人所感知的部分均取决于荧光粉。人类通 过视觉获得的信息量占总量的 80%, 因此, 荧光粉是 现今生活中极其重要的材料之一。 1 荧光粉的发光原理 将外部能量提供给荧光粉(称作激发)的方式有 很多种,发光过程中的物理现象也各不相同。一般根 据激发方式对发光装置分类。/荧光0是物质在低温 中发光的现象, 也称这种现象为/发冷光0。像白炽灯 灯丝那样的高温物质利用热辐射也会发光,但这是黑 体辐射现象而非荧光现象。荧光粉的化学成分, 如 LaPO4: Ce3+ , Tb3+ , 以/ [基质材料化学式] : [激活剂 1] , [激活剂 2] , , 0的格式表示。另外, 荧光粉有几 微米的粉末, 几纳米的超细颗粒, 约 1Lm厚的薄膜, 以及厘米数量级大小的单晶等各种尺寸和形状。表 1列出几种发光机理所适用的荧光粉及应用场合。 目前, 实际用于照明用途的荧光粉, 大部分是粉末状 的以汞原子发出的紫外线 (主峰波长 25317nm)为激 发源的光致发光荧光粉, 它们是利用氧化物晶体中孤 立离子的电子跃迁来发光的。这类以光束激发的荧 光粉主要用于荧光灯、等离子体显示屏( PDP)和白光 LED中。现在有关荧光粉的手册已经出版,而且还有 几本写得很好的与荧光粉相关的物理学等方面的教 科书, 详细内容可参阅这些文献。本文仅就荧光粉的 发光原理及发展历程,目前使用的荧光粉材料的现状 和课题作简单介绍。 为举例说明荧光粉的发光原理,首先介绍常见的 照明用荧光粉的发光机理。这种发光是由孤立的单 个原子或离子产生的。由量子力学的知识可知,孤立 的单个原子或离子中具有多个能级,如图 1( a)所示, 当原子或离子中的束缚电子由高能级向低能级跃迁 时,会形成自身固有的发光。下面以最简单的氢原子 为例进行说明。氢原子中含有 1个电子,并且从原子 核向外依次为称作 1s、2s、3s , , 的电子轨道,各电子 轨道对应不同的能级,氢原子的这 1个电子通常位于 最内侧的 1s轨道上, 该电子的状态称为基态。若该 电子受到电子碰撞或光等外来能量的刺激(激发) , 它 就会吸收激发能量而向其外侧的轨道如 2s 轨道迁 移。2s轨道的能量高于 1s轨道的能量, 如图 1( b)所 示,电子的这种状态称为激发态。原子发光就是电子 由激发态返回到基态时产生的(见图 1( c) )。 在这种原子或离子发光的应用中,与我们生活最 为密切相关的就是荧光灯等照明光源。有些光源是 由气体发光,有些光源是通过固体中掺杂的离子而发 光。在室温下可用来发光的典型气体原子是稀有气 体,它们通过放电而被激发, 如氖(Ne)、氙 (Xe)的发 光。室温下,金属(固体)经放电等过程产生金属蒸气 (气体)后, 也能够利用其原子内部的电子跃迁来发 光,比如钠蒸气、汞蒸气的发光。利用以上这些机理, 制成了氖气指示灯泡、氙灯、钠灯和汞灯。 2008 年第 11期 中 国 照 明 电 器 CHINA LIGHT LIGHTING 33 表 1 几种发光原理和所用荧光粉材料举例 发光类别 发光原理 发光物质 应用 热辐射发光 高温物质(固体或气体)的热辐射发光 钨丝灯(同太阳发光原理) 照明、加热 光致发光 用光(紫外线)照射物质时的发光 Ca2 ( PO4) 2#Ca( F, Cl) 2: Sb3+ ,Mn2+ (白色) ; BaMgAl10O17: Eu2+ (蓝色) ; Zn2SiO4: Mn2+ (绿色) ; ( Y, Gd) BO3 :Eu3+ (红色) (以上均为粉末) 荧光灯 PDP 阴极射线致发光 用阴极射线(电子束)照射物质时的发光 ZnS: Ag(蓝色); ZnS:Cu,Au, Al(绿色) ; Y2O2 S:Eu3+ (红色) (以上均为粉末) CRT 电致 发光 注入发光 PN结中,注入的少数载流子与 多数载流子复合时的发光 InGaN(蓝色) ; InGaAsP(113Lm,115Lm) (薄膜) LED LD 场致发光 给物质施加高电场时的发光 ZnS:Mn2+ (橙色) ; BaAl2S4: Eu2+ (蓝色) (薄膜,粉末) ELD