广东工业大学Advanced Optical Materials: Na取代Rb优化用于液晶显示背光应用的高性能窄带绿色荧光粉

材料人

【研究背景】

荧光粉转换型白光LED由于其低功耗、长寿命和低成本等优点，广泛应用于液晶显示器的背光源。显示器能够显示的色彩范围，即色域，对于显示应用是一个至关重要的指标。色域越宽广，显示器能够显示的颜色就越丰富，显示的效果也就越丰富多彩。实现广色域显示的关键是红、绿、蓝三色荧光粉具有合适的发射峰位、窄的发射宽度(相应于高的色纯度)、高的发光量子效率和优异的发光热稳定性。就绿粉而言，其发射半高宽应该尽可能窄，发射峰值波长应尽可能靠近CIE1931色度图的左上角(约525 nm)。为了扩大显示器色域，高效宽激发窄发射绿色荧光粉成为近年来研究的热点。目前商业上液晶显示背光源采用的主要组合是：460 nm蓝光芯片+绿粉β-SiAlON: Eu²⁺+红粉K₂SiF₆: Mn⁴⁺。其中，绿粉β-SiAlON: Eu²⁺的峰值波长约540 nm，半峰宽约54 nm，还有很大的提升空间。为了进一步实现高性能的广色域显示，人们正在积极开发具备更适宜发射峰位和更窄发射宽度的高性能绿色荧光粉。

【成果简介】

近日，广东工业大学博士研究生廖敏（第一作者）、牟中飞正高级实验师（通讯作者）、吴福根教授（通讯作者）报道了一种Eu²⁺掺杂的氧化物绿色荧光粉Rb₃M(Li₃SiO₄)₄: Eu²⁺(M = Rb或Na)。该团队基于UCr₄C₄类型的结构模型，研究了具有宽带激发和窄带发射的绿色荧光粉Rb₃M(Li₃SiO₄)₄: Eu²⁺（M = Rb 或 Na）。Na取代Rb导致晶体结构的局域环境发生改变，Rb₃Na(Li₃SiO₄)₄: Eu²⁺（R₃NLSO: 8%Eu²⁺）和Rb₄(Li₃SiO₄)₄: Eu²⁺ (R₄LSO: 8%Eu²⁺)相比，前者中Eu²⁺发光的斯托克斯位移减小，同时发光量子效率获得了显著提升。Na取代Rb导致局域晶体场环境改变的另一方面有益效果是结构刚度增强、热稳定性和化学稳定性得到明显改善。R₃NLSO: 8%Eu²⁺窄带绿色荧光粉的发射峰位为527 nm (商用β-SiAlON: Eu²⁺为540 nm)，半峰宽仅为42 nm(商用β-SiAlON: Eu²⁺为54 nm)，具有较高的内/外量子效率（85.3%/40.4%）和优异的发光热稳定性(150 °C时积分发射强度仍保持在室温的102%)。使用R₃NLSO: 8%Eu²⁺作为绿色荧光粉封装的白光LED具有128.3 lm/W的高发光效率和103.5% NTSC的广色域。虽然Rb的存在导致R₃NLSO: 8%Eu²⁺的化学稳定性较差，但可以通过表面修饰的方法解决。本工作不仅为液晶显示背光源提供了一种有前景的宽激发窄发射绿色发光材料，而且也为含易水解碱金属离子发光材料的性能优化提供了可靠的改进方向。本文获取的一些技术经验也可以扩展应用到其他研究领域以获得性能更加优异的新材料。

【图文导读】

图1 晶体结构与XRD结构精修

a) Rb₂Li₂(Li₃SiO₄)₄、Rb₂Na₂(Li₃SiO₄)₄和Rb₃M(Li₃SiO₄)₄(M = Rb或Na)的晶体结构图；

b) R₄LSO的XRD结构精修；

c) R₃NLSO的XRD结构精修。

图2 光谱、寿命和量子效率

a) R₄LSO: 8%Eu²⁺和R₃NLSO: 8%Eu²⁺的激发和发射光谱；

b) R₄LSO: 8%Eu²⁺和R₃NLSO: 8%Eu²⁺的衰减曲线；

c) R₄LSO: 8%Eu²⁺的量子效率图；

d) R₃NLSO: 8%Eu²⁺的量子效率图。

图3 发光热稳定性

a) R₄LSO: 8%Eu²⁺在室温至250 °C的发射光谱；

b) R₄LSO: 8%Eu²⁺的积分发射强度、峰值强度和半峰宽随温度升高的变化曲线；

c) R₃NLSO: 8%Eu²⁺在室温至250 °C的发射光谱；

d)R₃NLSO: 8%Eu²⁺的积分发射强度、峰值强度和半峰宽随温度升高的变化曲线。

图4 封装的LED器件的性能

a) 用窄带绿色荧光粉R₃NLSO: 8%Eu²⁺制备的LED器件在20 mA电流下的电致发光光谱；

b) 制备的LED器件的色域。

图5表面修饰增强材料的化学稳定性

a) R₄LSO: 8%Eu²⁺和R₃NLSO: 8%Eu²⁺表面修饰前后的荧光粉浸泡在水中用日光和365 nm紫外灯照明下的图片；

b) R₄LSO: 8%Eu²⁺和R₃NLSO: 8%Eu²⁺表面修饰前后的荧光粉浸泡在水中时的归一化发射强度。

文献链接：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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