一种功能化合物及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种功能化合物及其制备方法，属于功能材料领域。具体的为一种功能化合物，该化合物的化学式为：MmM’xSiyAzBwNn，式中M为碱土金属元素的一种或几种，M’为稀土元素的一种或几种，A为ⅢA元素以及Y，Sc，Lu，La，Gd中的一种或几种，B为ⅤB元素中的一种或几种，0≤m≤4，0＜x≤1，1≤y≤7，0≤z≤3，0＜w≤1，n=2/3m+z+4/3y+k，(2x+3w)/3≤k≤(3x+5w)/3。本发明还提供了该功能化合物的固相制备方法。本发明的新型功能化合物可用于制作具有高显色性的照明器件。
【专利说明】一种功能化合物及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种功能化合物及其制备方法，属于功能材料领域。
【背景技术】
[0002] 功能材料是指在电、磁、声、光、热等方面具有特殊性质，或在其作用下表现出特 殊功能的材料，被誉为21世纪人类文明的重要支柱，尤其是稀土功能材料，在各领域发挥 着"工业维生素"的作用。
[0003] 稀土功能材料主要有磁性材料、储氢材料、催化剂材料、功能陶瓷材料和发光材料 等。稀土发光材料的优点是吸收能力强，转换率高，可以发射出从紫外到红外的光谱，且在 可见光区域有很强的发射能力，在工业、日常生活等领域发挥重要作用。目前，稀土发光 材料主要用于彩电显像管、计算机显示器、医疗设备、照明等方面。随着显示和照明等技术 的变革，人们对发光材料的要求也逐渐提高，包括对其寿命、化学稳定性和发射波长的要求 等。
[0004] 白光发光二极管作为一种新型固态光源，具有无污染、效率高、能耗低、寿命长、 环境适应性强、结构简单、体积小、质量轻、响应快、工作电压低及安全性好等优点，被誉为 第四代照明电光源。目前从技术、性能和成本等综合因素考虑，蓝光发光二极管芯片加 黄色发光化合物因技术成熟度高、成本相对较低，是白光产生的主流方式（US 5998925， US6069440，US7071616 )。但该方法存在的最大问题是红色光的缺失导致白光的显色性较 差。为改善白光应用于照明领域时的显色性，还需要加入能够发射红光的化合物。
[0005] 目前，可供选择的此类发光材料的种类较多，如硫化物、硫氧化物、钨酸盐、钥酸 盐、以及铝酸盐体系。但是以这些化合物为基体，并在该基体中掺杂少量稀土离子作为发光 中心得到的发光材料的热稳定性、化学稳定性以及发光性能相对较差，已经越来越难以满 足照明新技术发展的要求。
[0006] 综合化学稳定性、发光效率以及温度猝灭等性能，含硅、氮的化合物因为其具有紧 密的网络结构，且氮成键能力强，因此该类化合物具有较好的物理、化学稳定性以及发光 性能，是高品质白光二极管照明器件中较理想的发光组分（CN03800454. 2, CN00803011. 1， CN200510052522. 7, CN200710159944. 3)。
[0007] 从目前的技术发展状况来看，此类硅氮化合物在发光亮度和热稳定性能 方面还需要进一步提高，虽然一些研究者也对此类化合物在上述方面进行了改进 (CN200910147787. 3, CN201010276384. 1,201210225499. 7)，但是并没有达到较理想的程 度，因此，对该体系的化合物进行进一步研究、改进以及开发具有重要意义。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的：（1)提供一种发光效率更高，发光性能更稳定的功能化合物。（2) 提供一种化合物的制备方法。
[0009] 为了实现上述目的，本发明公开一种功能化合物，该化合物的化学式为： MmM'xSiyAzBwN n，式中Μ为碱土金属元素的一种或几种,Μ'为稀土元素的一种或几种,Α为III A 元素以及Y，Sc，Lu，La，Gd中的一种或几种，B为V B元素中的一种或几种，0彡m彡4,0 <x^l,l^y^7,0^z^3,0<w^l, n=2/3m+z+4/3y+k, (2x+3w) /3 ^ k ^ (3x+5w) /3〇
[0010] 本发明的化合物中所述Μ为Ca，Sr，Ba，Mg中的一种或几种，Μ'为Eu，Ce，Dy，Sm， Tb，Pr，Nd，Pm，Gd，Ho, Er，Tm，Yb 中的一种或几种，A 为 B，Al，Ga，In，Y，Sc，Lu，La，Gd 中的 一种或几种，B为V，Nb，Ta中的一种或几种，0彡m彡4,0 < x彡1，1彡y彡7,0彡z彡3， 0 < w ^ 1, n=2/3m+z+4/3y+k, (2x+3w)/3 ^ k ^ (3x+5w)/3〇
[0011] 本发明的化合物中所述Μ为Ca，Sr，Ba，Mg中的一种或几种，Μ'为Eu，Ce，Dy，Sm，Tb， Pr，Nd，Pm，Gd，Ho，Er，Tm，Yb 中的一种或几种，A 为 B，Al，Ga，In, Y，Sc, Lu，La, Gd 中的一种或 几种，B为V。l<m<4,0<x<l，l<y<7,0<z<3,0<w<l，n=2/3m+z+4/3y+k, (2x+3w)/3 ^ k ^ (3x+5w)/3〇
[0012] 本发明的化合物中所述M为Ca，Sr，Ba，Mg中的一种或几种，M'为Eu，Ce，Dy， Sm，Tb，Pr，Nd，Pm，Gd，Ho, Er，Tm，Yb 中的一种或几种，A 为 B，Al，Ga，In，Y，Sc，Lu，La， Gd中的一种或几种，B为Nb。1 < m彡4,0 < x彡1，1彡y彡7,0彡z彡3,0 < w彡1， n=2/3m+z+4/3y+k, (2x+3w)/3^k^ (3x+5w)/3〇
[0013] 本发明的化合物中所述M为Ca，Sr，Ba，Mg中的一种或几种，M'为Eu，Ce，Dy， Sm，Tb，Pr，Nd，Pm，Gd，Ho, Er，Tm，Yb 中的一种或几种，A 为 B，Al，Ga，In，Y，Sc，Lu，La，Gd 中的一种或几种，B为Ta。0 < m彡1. 8,0 < x彡1，1彡y彡7,0彡z彡3,0 < w彡1， n=2/3m+z+4/3y+k, (2x+3w)/3 ^ k ^ (3x+5w)/3, y+z+w < 5〇
[0014] 本发明的化合物中所述M为Ca，Sr，Ba，Mg中的一种或几种，M'为Eu，Ce，Dy，Sm， Tb，Pr，Nd，Pm，Gd，Ho，Er，Tm，Yb 中的一种或几种，A 为 B，Al，Ga，In，Y，Sc，Lu，La，Gd 中的一 种或几种，B为V，Nb，Ta中的一种或几种。0<m彡L8,0<x彡1，1彡y彡7,0彡z彡3， 0 < w ^ 1, n=2/3m+z+4/3y+k, (2x+3w)/3 ^ k ^ (3x+5w)/3, (y+z) /x ^ 5〇
[0015] 本发明的化合物的组成元素中优选Μ为Sr或Sr与其他金属元素的组合或为Ca 或Ca与其他金属元素的组合。Μ'为Eu或Eu与其他金属元素的组合或优选为Ce或Ce与 其他金属元素的组合。A为A1或A1与其他元素的组合或优选为La或La与其他元素的组 合或优选为Y或Y与其他元素的组合。
[0016] 本发明的化合物中含有过渡金属元素 V，Nb和Ta中的一种或几种。过渡金属具 有较高的电子密度，所以添加过渡金属以后可以表现出一些特殊性质。由于过渡金属的掺 杂，致使化合物晶格扩张，产生Fermi能级附近态密度的重新分布，使得发光中心周围的晶 体场环境发生改变。正是这种变化使掺杂过渡金属的硅氮化合物具有了独特的物理化学性 质，进而影响该化合物发射峰的位置、发光强度及发光的稳定性。
[0017] 本发明的化合物中还引入了 B、Al、Ga等元素来补位或填隙，避免由过渡金属的引 进带来较大的晶格畸变。通过这两组元素的引入促使材料的体系结构更加稳定，有效的改 进了发光材料的温度特性。
[0018] 本发明不仅确保实现了发光材料的高光效，而且大幅提高了材料的物理与化学的 稳定性、增加了发光材料的发射光谱的半宽度，同时本发明的化合物具有更宽的有效激发 波长范围，能够很好地与蓝光LED芯片匹配。
[0019] 本发明为了获得不同的发射波长，通过调节其分子式中Μ所代表的金属元素的种 类和比例来调节其发射主峰，另外，本发明功能化合物发射主峰位置的调节也可以通过改 变稀土离子（M'）的种类与比例来实现。例如，当稀土元素为Eu时，减少Eu的含量，发光中 心减少，发射主峰蓝移。为了使发光效果最佳，本发明发光材料分子式中的Μ至少为Sr或 Ca中的一种或两种，M'为Eu。
[0020] 本发明的功能化合物可以通过如下方法制备： (1)合成原料包括Μ, M'，A, B, Si的单质或合金以及包含上述元素的氮化物。
[0021] (2)原料的混合物需要在1300°C -1800°C下焙烧，焙烧时间为3-8h。
[0022] (3)焙烧过程需要通还原气氛。还原气氛为氮气和氢气的混合气或一氧化碳或碳 粉。
[0023] 本发明的制备过程中原料优选为M，M'，A，B，Si的氮化物。焙烧温度为 1500_1700°C。还原气氛为氢氮混合气，氢气的体积浓度为0〈c < 20%。
[0024]
【专利附图】
【附图说明】： 图1为本发明实施例41的化合物的激发光谱； 图2为本发明实施例41的化合物的发射光谱。
[0025]
【具体实施方式】： 以下是本发明的实施例，本发明的保护范围不受这些实施例的限定，其保护范围由权 利要求来决定。
[0026] 本发明提供一种功能化合物，所述的化合物的化学式为xSiyA zBwNn，式中Μ为 碱土金属元素的一种或几种；Μ'为稀土元素的一种或几种；Α为ΙΙΙΑ元素以及Y，Sc，Lu，La， Gd中的一种或几种；B为V B元素中的一种或几种；其中元素的角标范围为0彡m彡4,0 <x^l,l^y^7,0^z^3,0<w^ 1, n=2/3m+z+4/3y+k, (2x+3w) /3 ^ k ^ (3x+5w) /3〇
[0027] 为了描述化合物方便，其中Μ、Μ'、A、B为元素代号，具体的Μ为碱土金属元素的 一种或几种；Μ'为稀土元素的一种或几种；Α为III Α元素以及Y，Sc，Lu，La，Gd中的一种或 几种；B为V B元素中的一种或几种。其中，元素代号右下角有角标，代表化合物组成中各 元素代号的摩尔比例关系，具体为m、X、y、z、w、η,这样M mM' xSiyAzBwNn就代表一系列功能化 合物，如下面实施例中的ArnEu^SisVcmNuCanEu^AlSiJaN^.j^。碱土金属、稀土 元素 、III A元素及V B元素可以参照元素周期表，是本领域技术人员公知的技术常识。
[0028] 具体的为一种功能化合物，该化合物的化学式为：MmM' xSiyAzBwNn，其中Μ为Ca，Sr， Ba，Mg 中的一种或几种；M' 为 Eu, Ce，Dy，Sm，Tb，Pr，Nd，Pm, Gd，Ho, Er，Tm，Yb 中的一种或 几种；A为B (硼)，Al，Ga，In，Y，Sc，Lu，La，Gd中的一种或几种；B为V，Nb，Ta中的一种或 几种；其中元素的角标范围为0彡m彡4,0<x彡1，1彡y彡7,0彡z彡3,0<w< 1， n=2/3m+z+4/3y+k，（2x+3w)/3i^ki^ (3x+5w)/3。在本组实施例中，对Μ等元素代号定义了 具体的元素，如Α为Β (硼)，Al，Ga，In，Y，Sc，Lu，La，Gd中的一种或几种，即Α可以是硼、 铝、镓、铟、钇、钪、镥、镧、钆中的一种或者几种元素的组合。当出现组合时，对应的角标为涉 及组合的几种元素的摩尔比例总和。
[0029] 下面介绍具体应用的实施例 比较例1 选择SrnEuwgSi；^化合物为对照，测定该化合物在460nm激发下的发光亮度，发射主 峰以及150°C下的发光维持率（150°C下的发光维持率为150°C下发光强度与常温（25°C)下 发光强度之比)。
[0030] 具体应用见实施例1-40 本组实施例的化合物的化学式如表1所示，测定该化合物在460nm激发下的发光亮度， 发射主峰以及150°C下的发光维持率，并与比较例1进行对比。
[0031] 本组实施例在隔绝空气条件下，按照表1所示化学式配比称量氮化硅、氮化铕、氮 化锶、氮化钙、氮化铝、氮化硼、氮化钒、氮化铌，氮化钽和其他稀土金属氮化物等原料，充分 混合均匀，将混合好的原料盛于坩埚中，转入高温炉，抽真空后通入4体积含量为1%的4 和N 2混合气，于1800°C焙烧3小时。待温度降至室温时，取出样品，进行研磨、洗涤、烘干及 过筛的后处理。
[0032] 表1实施例1-40
【权利要求】
1. 一种功能化合物，其特征在于：所述的化合物的化学式为：MmM' xSiyAzBwNn，式中Μ为 碱土金属元素的一种或几种；Μ'为稀土元素的一种或几种；Α为ΙΙΙΑ元素以及Y，Sc，Lu，La， Gd中的一种或几种；B为V B元素中的一种或几种；其中元素的角标范围为0彡m彡4,0 <x^l,l^y^7,0^z^3,0<w^ l,n=2/3m+z+4/3y+k, (2x+3w)/3 ^ k ^ (3x+5w)/3〇
2. 根据权利要求1所述的化合物，其特征在于：该化合物的化学式为：MmM' xSiyAzBwNn， 其中 Μ 为 Ca，Sr，Ba，Mg 中的一种或几种；Μ' 为 Eu，Ce，Dy，Sm，Tb，Pr，Nd，Pm，Gd，Ho, Er， Tm，Yb中的一种或几种；A为B，Al，Ga，In，Y，Sc，Lu，La，Gd中的一种或几种；B为V，Nb，Ta 中的一种或几种；其中元素的角标范围为〇彡m彡4,0 < x彡1，1彡y彡7,0彡z彡3,0 < w ^ 1, n=2/3m+z+4/3y+k, (2x+3w)/3 ^ k ^ (3x+5w)/3〇
3. 根据权利要求1中所述的化合物，其特征在于：该化合物的化学式为： MJ' xSiyAzBwNn，其中 Μ 为 Ca，Sr，Ba，Mg 中的一种或几种；M' 为 Eu，Ce，Dy，Sm，Tb，Pr，Nd， Pm，Gd，Ho，Er，Tm，Yb 中的一种或几种；A 为 B，Al，Ga，In，Y，Sc，Lu，La，Gd 中的一种或几种； B为V ;其中元素的角标范围为l<m彡4,0<x彡1，1彡y彡7,0彡z彡3,0<w<l， n=2/3m+z+4/3y+k, (2x+3w)/3^k^ (3x+5w)/3〇
4. 根据权利要求1所述的化合物，其特征在于：该化合物的化学式为：MmM' xSiyAzBwNn， 其中 Μ 为 Ca，Sr，Ba，Mg 中的一种或几种；Μ' 为 Eu，Ce，Dy，Sm，Tb，Pr，Nd，Pm，Gd，Ho, Er，Tm， Yb中的一种或几种；A为B，Al，Ga，In，Y，Sc，Lu，La，Gd中的一种或几种；B为Nb ;其中元素 的角标范围为 1 <m<4,0<x< 1，1 <y<7,0<zi^3,0<wi^ 1，n=2/3m+z+4/3y+k， (2x+3w)/3 ^ k ^ (3x+5w)/3〇
5. 根据权利要求1中所述的化合物，其特征在于：该化合物的化学式为： MJ' xSiyAzBwNn，其中 Μ 为 Ca，Sr，Ba，Mg 中的一种或几种；M' 为 Eu，Ce，Dy，Sm，Tb，Pr，Nd，Pm， Gd，Ho, Er，Tm，Yb 中的一种或几种；A 为 B，Al，Ga，In, Y，Sc, Lu，La, Gd 中的一种或几种；B 为Ta ;其中元素的角标范围为0 < 1. 8,0 < x彡1，1彡y彡7,0彡z彡3,0 < w彡1， n=2/3m+z+4/3y+k, (2x+3w)/3 ^ k ^ (3x+5w)/3, y+z+w < 5〇
6. 根据权利要求1中所述的化合物，其特征在于：该化合物的化学式为： MJ' xSiyAzBwNn，其中 Μ 为 Ca，Sr，Ba，Mg 中的一种或几种；M' 为 Eu，Ce，Dy，Sm，Tb，Pr，Nd，Pm， Gd, Ho, Er，Tm，Yb 中的一种或几种；A 为 B，Al，Ga，In, Y，Sc, Lu，La, Gd 中的一种或几种；B 为V，Nb，Ta中的一种或几种；其中元素的角标范围为0 < m彡1. 8,0 < x彡1，1彡y彡7， 0^z^3,0<w^ 1, n=2/3m+z+4/3y+k, (2x+3w)/3 ^ k ^ (3x+5w)/3, (y+z) /x ^ 5〇
7. 根据权利要求1所述化合物，其特征在于M为Ca，Sr，Ba，Mg中的一种或几种；或者 Μ为Sr ;或者Μ为Sr与Ca，Ba，Mg中一种或几种金属元素的组合。
8. 根据权利要求1所述化合物，其特征在于Μ为Ca，Sr，Ba，Mg中的一种或几种；或者 Μ为Ca ;或者Μ为Ca与Sr，Ba，Mg中的一种或几种金属元素的组合。
9. 根据权利要求1所述化合物，其特征在于M'为Eu，Ce，Dy，Sm，Tb，Pr，Nd，Pm，Gd， Ho, Er，Tm，Yb 中的一种或几种；或者 M' 为 Eu ;或者 M' 为 Eu 与 Ce，Dy，Sm，Tb，Pr，Nd，Pm， Gd, Ho, Er，Tm，Yb中的一种或几种金属元素的组合。
10. 根据权利要求1所述化合物，其特征在于Μ'为Eu，Ce，Dy，Sm，Tb，Pr，Nd，Pm，Gd， Ho, Er，Tm，Yb 中的一种或几种；或者 M' 为 Ce ;或者 M' 为 Ce 与 Eu，Dy，Sm，Tb，Pr，Nd，Pm， Gd, Ho, Er，Tm，Yb中的一种或几种金属元素的组合。
11. 根据权利要求1所述化合物，其特征在于A为B，Al，Ga，In，Y，Sc，Lu，La，Gd中的 一种或几种；或者A为A1 ;或者A为A1与B，Ga，In，Y，Sc，Lu，La，Gd中的一种或几种元素 的组合。
12. 根据权利要求1所述化合物，其特征在于A为B，Al，Ga，In，Y，Sc，Lu，La，Gd中的 一种或几种；或者A为La ;或者A为La与B，Al，Ga，In，Y，Sc，Lu，Gd中的一种或几种元素 的组合。
13. 根据权利要求1所述化合物，其特征在于A为B，Al，Ga，In，Y，Sc，Lu，La，Gd中的 一种或几种；或者A为Y ;或者A为Y与B，Al，Ga，In，Sc，Lu，La，Gd中的一种或几种元素 的组合。
14. 一种权利要求1所述功能化合物的制备方法，其特征在于： (1) 合成原料为含有M，M'，A，B，Si的单质或合金以及包含上述元素的氮化物； (2) 原料的混合物需要在1300°C -1800°C下焙烧，焙烧时间为3-8h ; (3) 焙烧过程在还原气氛中进行，还原气氛为氮气和氢气的混合气，或一氧化碳，或碳 粉。
15. 根据权利要求6中所述的制备方法，其特征在于原料优选为M，M'，A，B，Si的氮化 物。
16. 根据权利要求6中所述的制备方法，其特征在于焙烧温度优选为1500-1700°C。
17. 根据权利要求6中所述的制备方法，其特征在于还原气氛优选为氢氮混合气，氢气 的体积浓度为〇〈c < 20%。
【文档编号】C09K11/79GK104152144SQ201410120177
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】刘洋, 罗新宇, 王明, 王臻, 杨小丽, 严群 申请人:北京大学工学院包头研究院, 南京光晶电子科技有限公司