用于白光LED的Tb的制造方法与工艺

用于白光LED的Tb3+/Sm3+/Ce3+三掺杂α-NaYF4单晶体及其制备方法技术领域本发明涉及氟化物单晶体的制备方法，具体涉及一种用于白光LED的Tb3+/Sm3+/Ce3+三掺杂α-NaYF4单晶体及其制备方法。

背景技术：
LED(Light-emittingdiode)是一种将电能转换成光能的新半导体固体光源。由于其节能、环保、长寿命、低压安全、小型化以及不易损耗等特性，成为第四代新照明光源，实现正真的节能与绿色照明。目前多数LED照明器件是通过发蓝光的LED芯片(主要为InGaN)与黄色荧光粉(Ce3+：YAG)封装在一起，由芯片发出的蓝光与蓝光激发荧光粉所产生的黄光混合成白光发射，但有如下的缺陷：(1)白光色温偏高，显色指数偏低；(2)白光容易失真和漂移，产生稍蓝或稍黄的白光；(3)涂抹的荧光粉体由于颗粒度不均匀性对白光产生不利的影响；(4)用于封装的有机环氧树脂在光的辐照下容易老化；(5)成本较高等。专利申请号为200810040220.1的发明专利申请，尝试用稀土掺杂的发光玻璃来替代荧光粉，在用对人眼不敏感的紫外光激发下，实现白光的发射。但发光玻璃存在物化、热学、抗光辐照、稀土离子发光性能差等主要缺点，这些成为制约其大规模实际应用的最大瓶颈。由于α-NaYF4氟化物单晶体作为基质具有较低声子能量(300～400cm-1)、掺杂于该晶体中稀土离子发光效率高、物化性能稳定、光学性能良好以及对稀土离子溶解性高特点，是一种理想的功能晶体。稀土Tb3+离子在紫外光激发下，能发射蓝光413nm(4D3→7F5)与黄绿光542nm(5D3→7F5)；Sm3+能发射红光643nm(4G5/2→6H9/2)；Ce3+发射蓝光350～450nm(5d→4f)。这些多色的光混合在一起，可望实现白光的发射。因此当Tb3+，Sm3+，Ce3+三掺杂α-NaYF4单晶体所发射的混合光强度比例合适时，能混合发射出白光。到目前为止，有关NaYF4材料的报道都集中于微晶态材料，如公开号为CN102660287A的发明专利，则公开了一种六方相上转换纳米材料的制备方法，但由于纳米微晶粉末材料对光会产生强烈的散射，因此严重影响到器件的透过率，从而限制其在LED中的应用。

技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种能同时高效率发射蓝光、黄绿光与红光，并能混合成白光的Tb3+/Sm3+/Ce3+三掺杂α-NaYF4单晶体及其制备方法，该单晶体具有优秀的抗光辐照性能、机械性能、热学性能、物化性能及光学透过性能。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：用于白光LED的Tb3+/Sm3+/Ce3+三掺杂α-NaYF4单晶体，该单晶体的化学式为α-NaY(1-x-y-z)TbxSmyCezF4，其中x、y与z分别为Tb3+、Sm3+与Ce3+置换Y的摩尔比，其中0.0624＜x+y+z＜0.0896，x、y与z的比例为x∶y∶z＝1∶1.3～1.8∶0.2～0.78。所述的用于白光LED的Tb3+/Sm3+/Ce3+三掺杂α-NaYF4单晶体的制备方法，其步骤如下：1)原料处理与制备：将纯度均大于99.99％的NaF、KF、YF3、TbF3、SmF3、CeF3原料按一定摩尔比混合，置于碾磨器中，碾磨混合5～6h，得到均匀粉末的混合料，其中原料摩尔比NaF∶KF∶(YF3+TbF3+SmF3+CeF3)＝1～2.4∶1∶2.24～3.4，且TbF3∶SmF3∶CeF3＝1∶1.652～2.287∶0.915～3.570，YF3∶TbF3＝1∶0.027，YF3∶SmF3＝1∶0.045～0.062，YF3∶CeF3＝1∶0.025～0.097；将上述混合料置于铂金坩埚中，铂金坩埚安装于管式电阻炉的铂金管道中，然后用N2气排除铂金管道中的空气，在温度780～800℃，通HF气下，反应处理1～5小时，反应处理结束，关闭HF气体与管式电阻炉，用N2气清洗管道中残留的HF气体，所有经管道尾端的残余HF气体由NaOH溶液回收，最终得到多晶粉料；2)晶体生长：以KF作为助熔剂，采用密封坩埚下降法进行晶体生长，将上述多晶粉料置于碾磨器磨成粉末，然后置于Pt坩埚中并压实，密封Pt坩埚；将密封的Pt坩埚置于硅钼棒炉中，用坩埚下降法生长晶体，生长晶体的参数为：炉体温度为950～980℃，接种温度为820～860℃，固液界面的温度梯度为60～90℃/cm，坩埚下降速度为0.2～2.0mm/h；3)晶体退火：晶体生长结束后，采用原位退火的方法，以20～80℃/h下降炉温至室温，得到Tb3+/Sm3+/Ce3+三掺杂α-NaYF4单晶体。与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)、其α-NaYF4基质单晶体具有声子能量低(300～400cm-1)，波段宽300～5500nm，光学透过性高、物化稳定性好、掺杂的稀土离子对光的吸收强等特点，在α-NaYF4晶体中同时三掺入Tb3+、Sm3+、Ce3+离子，三价稀土离子取代Y3+离子的格位无需电荷补偿，以及相比拟的离子半径大小，可实现较大浓度的稀土离子掺杂，同时Tb3+、Sm3+、Ce3+三离子在紫外波段都存在吸收带，Tb3+离子能发射蓝光413nm(4D3→7F5)与黄绿光542nm(5D3→7F5)，Sm3+能发射红光643nm(4G5/2→6H9/2)，Ce3+发射蓝光350～450nm(5d→4f)，因此在紫外光激发下，可同时得到有效激发并产生出RGB发射，复合出白光。(2)、通常三掺杂的单晶体与单掺杂与双掺杂单晶体相比，具有高的发光效率、好的显示指数与颜色质量。该Tb3+/Sm3+/Ce3+三掺杂α-NaYF4单晶体与荧光粉体相比，不会产生对光的散射以及环氧树脂老化和混合白光色泽差等缺点；与发光玻璃相比，具有物化、热学、抗光辐照、稀土离子发光性能好优势；与同类的LiYF4晶体基质相比，具有更加稳定的物理化学与热稳定性。且制备过程中，在初始原料中加入了一定量的KF(熔点858℃)作为助熔剂，助熔剂KF降低了Tb3+/Sm3+/Ce3+三掺杂α-NaYF4晶体的熔点，改变了熔体中的相平衡关系，从而使得当熔体开始初期析晶时，只单一析出Tb3+/Sm3+/Ce3+三掺杂α-NaYF4固态相以及其它液相，随着Tb3+/Sm3+/Ce3+三掺杂α-NaYF4晶体的成核与生长，最终获得较大尺寸的Tb3+/Sm3+/Ce3+三掺杂掺杂α-NaYF4晶体；(3)、用坩埚下降法制备Tb3+/Sm3+/Ce3+三掺杂α-NaYF4单晶体，可采用多管炉生长，更加有利于晶体材料的规模化批量生产，从而大幅度降低材料的制备成本，该制备方法工艺简单，单晶体纯度高，品质好，便于大规模工业化生产。附图说明图1为本发明实施例1的Tb3+/Sm3+/Ce3+三掺杂α-NaYF4单晶的X射线粉末衍射；图2为本发明实施例1的Tb3+/Sm3+/Ce3+三掺杂α-NaYF4单晶的吸收光谱图；图3为本发明实施例1的Tb3+/Sm3+/Ce3+三掺杂α-NaYF4单晶的发射光谱图；图4为本发明实施例1-9的Tb3+/Sm3+/Ce3+三掺杂α-NaYF4单晶在374nm激发下的色度坐标图。具体实施方式以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。实施例1称取纯度均大于99.99％的NaF、KF、YF3、TbF3、SmF3、CeF3原料，按摩尔比NaF∶KF∶(YF3+TbF3+SmF3+CeF3)＝1.3∶1∶2.6，YF3∶TbF3＝1∶0.027，YF3∶SmF3＝1∶0.045，YF3∶CeF3＝1∶0.025，TbF3∶SmF3∶CeF3＝1∶1.652∶0.915，把NaF、KF、YF3、TbF3、SmF3、CeF3原料置于碾磨器中，碾磨混合5.5小时，得到均匀粉末的混合料；将混合料蓬松放于舟形铂金坩埚中，再将该舟形铂金坩埚安装于管式电阻炉的铂金管道中，然后用高纯N2气体排除该铂金管道中的空气，并对该铂金管道进行检漏；之后将管式电阻炉的炉体温度逐渐升高到790℃，通HF气体，反应2小时，除去可能含有的H2O与氟氧化物，在反应过程中用NaOH溶液吸收尾气中的HF气体，反应结束后，停止通HF气体，关闭管式电阻炉，最后用高纯N2气体排除铂金管道中残留的HF气体，得到稀土离子掺杂的多晶粉料；将多晶粉料置于碾磨器中碾磨成粉末，再将该粉末置于铂金坩埚中并压实，然后密封该铂金坩埚；将密封的铂金坩埚置于硅钼棒炉中，用坩埚下降法生长晶体，生长晶体的参数为：炉体温度为960℃，接种温度为830℃，固液界面的温度梯度为70℃/cm，驱动机械下降装置下降坩埚进行晶体生长，坩埚速度速度为1.0mm/h；待晶体生长结束后，以50℃/h下降炉温至室温。图1为透明晶体的X射线衍射图，与标准的α-NaYF4衍射图相一致，说明获得的晶体为α-NaYF4相。用电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP)法分析检测晶体中Tb3+、Sm3+、Ce3+稀土离子的实际摩尔百分含量，获得x＝0.025、y＝0.0325、z＝0.005，晶体化学式为α-NaY0.9375Tb0.025Sm0.0325Ce0.005F4单晶体，x+y+z＝0.0625，x∶y∶z＝1∶1.3∶0.2，将获得的样品抛光成厚度为2毫米的薄片，图2为实施例1的吸收光谱，在374nm光的激发下，进行荧光测试，图3为实施例1的荧光光谱，稀土Tb3+离子在紫外光374nm激发下，发射蓝光413nm(4D3→7F5)与黄绿光542nm(5D3→7F5)；Sm3+能发射红光643nm(4G5/2→6H9/2)；Ce3+发射蓝光350～450nm(5d→4f)。这些多色的光混合在一起，实现白光的发射。该稀土离子掺杂α-NaYF4单晶体具有发光效率高的特点。样品的色度坐标见图4与表1所示，色坐标(x，y)为0.3084与0.3612，色温为6538K。实施例2与实施例1基本相同，所不同的只是按摩尔比NaF∶KF∶(YF3+TbF3+SmF3+CeF3)＝1.3∶1∶2.6，YF3∶TbF3＝1∶0.027，YF3∶SmF3＝1∶0.062，YF3∶CeF3＝1∶0.097，TbF3∶SmF3∶CeF3＝1∶2.287∶3.570，把NaF、KF、YF3、TbF3、SmF3、CeF3原料置于碾磨器中，混合碾磨时间5小时，铂金管道中在770℃反应时间为5小时，炉体温度为950℃，接种温度为820℃，固液界面的温度梯度为65℃/cm，晶体生长速度为0.2mm/h，炉温下降温度为80℃/h，得到Tb/Sm/Ce掺杂α-NaYF4单晶体。XRD、吸收光谱与荧光光谱与实施例1基本相同，只是强度不同。用电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP)法分析检测晶体中Tb3+、Sm3+、Ce3+稀土离子的实际摩尔百分含量，获得x＝0.025、y＝0.045、z＝0.0195，晶体化学式为α-NaY0.9105Tb0.025Sm0.045Ce0.0195F4单晶体，x+y+z＝0.0895，x∶y∶z＝1∶1.8∶0.78，在374nm光的激发下，发射蓝光413nm(Tb3+：4D3→7F5)与黄绿光542nm(Tb3+：5D3→7F5)；红光643nm(Sm3+：4G5/2→6H9/2)；蓝光350～450nm(Ce3+：5d→4f)。这些多色的光混合在一起，实现白光的发射。样品的色度坐标见图4与表1所示，色坐标(x，y)为0.2804与0.3089，色温为9104K。实施例3与实施例1基本相同，所不同的只是按摩尔比NaF∶KF∶(YF3+TbF3+SmF3+CeF3)＝1.3∶1∶2.6，YF3∶TbF3＝1∶0.027，YF3∶SmF3＝1∶0.047，YF3∶CeF3＝1∶0.025，TbF3∶SmF3∶CeF3＝1∶1.728∶0.915，把NaF、KF、YF3、TbF3、SmF3、CeF3原料置于碾磨器中，混合碾磨时间6小时，铂金管道中在780℃反应时间为1小时，炉体温度为980℃，接种温度为860℃，固液界面的温度梯度为60℃/cm，晶体生长速度为2.0mm/h，炉温下降温度为20℃/h，得到Tb/Sm/Ce掺杂α-NaYF4单晶体。XRD、吸收光谱与荧光光谱与实施例1基本相同，只是强度不同。用电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP)法分析检测晶体中Tb3+、Sm3+、Ce3+稀土离子的实际摩尔百分含量，获得x＝0.025、y＝0.034、z＝0.005，晶体化学式为α-NaY0.936Tb0.025Sm0.034Ce0.005F4单晶体，x+y+z＝0.064，x∶y∶z＝1∶1.36∶0.2，在374nm光的激发下，发射蓝光413nm(Tb3+：4D3→7F5)与黄绿光542nm(Tb3+：5D3→7F5)；红光643nm(Sm3+：4G5/2→6H9/2)；蓝光350～450nm(Ce3+：5d→4f)。这些多色的光混合在一起，实现白光的发射。样品的色度坐标见图4与表1所示，色坐标(x，y)为0.3090与0.3223，色温为6777K。实施例4与实施例1基本相同，所不同的只是按摩尔比NaF∶KF∶(YF3+TbF3+SmF3+CeF3)＝1.3∶1∶2.6，YF3∶TbF3＝1∶0.027，YF3∶SmF3＝1∶0.050，YF3∶CeF3＝1∶0.025，TbF3∶SmF3∶CeF3＝1∶1.830∶0.915，把NaF、KF、YF3、TbF3、SmF3、CeF3原料置于碾磨器中，混合碾磨时间5小时，铂金管道中在790℃反应时间为2小时，炉体温度为970℃，接种温度为850℃，固液界面的温度梯度为75℃/cm，晶体生长速度为0.2mm/h，炉温下降温度为70℃/h，得到Tb/Sm/Ce掺杂α-NaYF4单晶体。XRD、吸收光谱与荧光光谱与实施例1基本相同，只是强度不同。用电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP)法分析检测晶体中Tb3+、Sm3+、Ce3+稀土离子的实际摩尔百分含量，获得x＝0.025、y＝0.036、z＝0.005，晶体化学式为α-NaY0.934Tb0.025Sm0.036Ce0.005F4单晶体，x+y+z＝0.066，x∶y∶z＝1∶1.44∶0.2，在374nm光的激发下，发射蓝光413nm(Tb3+：4D3→7F5)与黄绿光542nm(Tb3+：5D3→7F5)；红光643nm(Sm3+：4G5/2→6H9/2)；蓝光350～450nm(Ce3+：5d→4f)。这些多色的光混合在一起，实现白光的发射。样品的色度坐标见图4与表1所示，色坐标(x，y)为0.2833与0.3392，色温为8125K。实施例5与实施例1基本相同，所不同的只是按摩尔比NaF∶KF∶(YF3+TbF3+SmF3+CeF3)＝1.3∶1∶2.6，YF3∶TbF3＝1∶0.027，YF3∶SmF3＝1∶0.052，YF3∶CeF3＝1∶0.025，TbF3∶SmF3∶CeF3＝1∶1.931∶0.915，把NaF、KF、YF3、TbF3、SmF3、CeF3原料置于碾磨器中，混合碾磨时间5.5小时，铂金管道中在770℃反应时间为5小时，炉体温度为960℃，接种温度为840℃，固液界面的温度梯度为85℃/cm，晶体生长速度为1.8mm/h，炉温下降温度为30℃/h，得到Tb/Sm/Ce掺杂α-NaYF4单晶体。XRD、吸收光谱与荧光光谱与实施例1基本相同，只是强度不同。用电感耦合等离子体...