Тип работы:
 Предмет:
 Язык работы:


Синтез и исследование гранатов РЗЭ и аллюминия для светоизлучающих диодов

Работа №7438

Тип работы

Диссертации (РГБ)

Предмет

химия

Объем работы141стр.
Год сдачи2004
Стоимость470 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено
752
Не подходит работа?

Узнай цену на написание


ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА ГРАНАТОВ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) 9
1.1. Характеристика излучающих светодиодов 9
1.2. Фазовые равновесия в системах Ln2O3-Me2O3 (где Ln =Gd,Y;
Ме =Al,Ga, Sc) 12
1.2.1. Система Y2O3-Al2O3 12
1.2.2. Система Gd2O3 -Al2O3 14
1.2.3. Система Gd2O3-Ga2O3 15
1.2.4. Система Y2O3-Ga2O3 16
1.2.5. Система Ln 2O 3-Sc 2O3 17
1.3. Основные способы получения соединений со структурой граната 18
1.3.1. Твёрдофазный синтез гранатов 18
1.3.2. Методы совместного осаждения 20
1.3.3. Золь-гель метод 22
1.3.4. Метод «вымораживания» 22
1.3.5. Метод «горения» 23
1.4. Кристаллохимические особенности соединений со структурой граната 25
1.5. Дефекты в соединениях со структурой граната 29
1.6. Собственная люминесценция гранатов 31
1.7. Свойства церия, как активатора 33
1.8. Передача энергии между ионами РЗЭ 35
1.9. Термостимулированная люминесценция в соединениях со структурой граната 36
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1 40

ГЛАВА 2.
ИСХОДНЫЕ ВЕЩЕСТВА, МЕТОДИКИ СИНТЕЗА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 42
2.1. Исходные вещества 42
2.2. Методика приготовления исходных растворов 43
2.3. Измерение интенсивности люминесценции 43
2.4. Измерение спектров излучения и возбуждения 44
2.5. Измерение термостимулированной люминесценции (ТСЛ) 44
2.6. Измерение гранулометрического состава 45
2.7. Рентгенофазовый анализ 45
ГЛАВА 3.
ИССЛЕДОВАНИЕ ГРАНАТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ СОВМЕСТНОГО ОСАЖДЕНИЯ И ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫМ ТВЕРДОФАЗНЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ 47
3.1. Получение гадолиний-алюминиевого граната (ГАГ) методом соосаждения 47
3.1.1. Выбор оптимальной концентрации активатора 47
3.1.2. Выбор оптимального состава люминофора со структурой граната 52
3.1.3. Влияние плавней 53
3.1.4. Получение ГАГ твердофазным синтезом 56
3.2. Система YAhOn'Ce - GdsAl5Ol2:Ce 57
3.3. Система Gd^Al5Ol2:Ce- Gd3Ga5Ol2:Ce 64
3.4. Система Gd3Al5-xScxOl2:Ce 69
3.5. Получение ванадийсодержащих гранатов 73
3.6. Система YAl 5-x-yMgxSiyO l2:Ce 76
3.6.1. Получение люминофоров YsAl5-x-yMgxSiyOl2:Ce методом
соосаждения 76

3.6.2. Получение люминофоров Y3Al5-x-yMgxSiyOi2:Ce твердофазным синтезом 85
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3 88
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ГРАНАТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ГОРЕНИЯ 89
4.1. Получение ИАГ методом горения 89
4.1.1. Определение температуры инициации реакции горения с карбамидом 89
4.1.2. Определение температуры инициации реакции горения с глицином 93
4.1.3. Выбор горючего 94
4.2. Система YAl 5-xScxO 12:Се 102
4.3. Система YsAl5O12:Ce- Y3Ga5Oj2 106
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4 112
ГЛАВА 5. ИСССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРИМЕСЕЙ РЗЭ НА
ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЮ ЦЕРИЯ В ИАГ 113
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5 119
ГЛАВА 6. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ С ПОЗИЦИЙ
КРИСТАЛЛОХИМИИ 120
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 6 128
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 129
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 130



Использование соединений со структурой граната с общей формулой (A3}[B2](C3)Oi2 чрезвычайно разнообразно. Они применяются в качестве лазерных материалов, будучи активированными ионами редкоземельных элементов - MAr:Nd3+, ионами Cr3+ и Cr4+. Обладая повышенной радиационной стойкостью применяются также в качестве твердотельных люминесцентных дозиметров и люминесцентных детекторов. Широкое применение находят соединения со структурой граната, активированные церием. Долгое время они использовались в качестве эффективных катодолюминофоров. Различное использование данного класса соединений приводит к всестороннему изучению их свойств. Наиболее изученным из данного класса гранатов является иттрий-алюминиевый гранат.
Относительно недавно люминофоры со структурой граната, активированные церием стали использовать для светоизлучающих диодов белого цвета свечения (СИД). В настоящее время СИД имеют обширные и многообразные области применения. Они всё в большей степени вытесняют лампы накаливания в таких областях как визуальная индикация и подсветка в устройствах отображения информации. СИД широко применяются также для внутрисхемной и панельной индикации состояния электронных схем, в системах записи информации на фотоплёнку, в измерительной технике для создания бесстрелочных шкал и т.п. СИД «белого» цвета свечения, излучающие во всём видимом диапазоне, позволяют создавать цветные дисплеи. Традиционная структура СИД «белого» цвета свечения содержит InGaN- кристалл с высокой яркостью свечения (излучающий в области 430¬475 нм), покрытый люминофором на основе иттрий - алюминиевого граната, в котором возбуждается жёлто- зелёное или жёлто-оранжевое свечение.
По механизму возбуждения белого свечения СИД близки к люминесцентным лампам, где тлеющий разряд в парах ртути генерирует УФ- излучение, возбуждающее свечение в люминофоре. Однако, в отличие от электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) и газоразрядных ламп, где энергия

возбуждения поглощается в основном матрицей люминофора, а затем передаётся активатору, в СИД белого цвета энергия возбуждения
3+
поглощается непосредственно ионам активатора Се в области наиболее длинноволновой полосы поглощения. Физико-химические параметры, определяющие эффективность люминофора при этом виде возбуждения изучены недостаточно подробно. Кроме того не выработаны требования к морфологии и размеру частиц люминофора. Поэтому проведение исследований, направленных на увеличение квантового выхода люминесценции и выбор метода синтеза, обеспечивающего требуемый размер частиц является актуальным.
Целью настоящей работы является исследование взаимосвязи физико-химических свойств и светотехнических характеристик с условиями синтеза люминофоров гранатной структуры для применения в источниках белого цвета свечения на основе синих светоизлучающих диодов и разработка на базе полученных результатов технологии синтеза люминофоров с заданными свойствами.
Для достижения поставленной в настоящей работе цели необходимо было решить следующие задачи:
- увеличить квантовый выход люминофоров на основе гранатов РЗЭ при возбуждении светом синего СИД;
- изучить зависимость люминесцентных свойств от химического состава матрицы люминофора;
- определить оптимальный диапазон размеров частиц люминофора;
- обосновать выбор метода синтеза люминофора, обеспечивающий оптимальное сочетание структуры частиц и люминесцентных характеристик;
- провести поиск возможных сенсибилизаторов фотолюминесценции
3+
ионов Се при возбуждении светом в диапазоне длин волн 430-475 нм.

Научная новизна:
- установлены оптимальные режимы синтеза различных алюминатных структур с эффективной люминесценцией;
- впервые для алюмо-галлиевых соединений иттрия-гадолиния со структурой граната установлено сенсибилизирующее действие ионов Tb3+ и Dy3+ на люминесценцию ионов Се3+ при возбуждении светом в диапазоне 430-475 нм;
- впервые для гранатной структуры Y3Al5-х-yMgхSiyО12:Се проведено детальное исследование зависимости спектрально-люминесцентных характеристик (спектров излучения и возбуждения, интенсивности люминесценции) от химического состава матрицы люминофора;
- показано, что замещение части алюминия в структуре ИАГ :Се на Mg и Si позволяет существенно сместить максимум излучения в красную область спектра до 605 нм, а максимум возбуждения до 480 нм;
- установлено, что определяющим фактором высокого квантового выхода фотолюминесценции ИАГ: Се при возбуждении светом синего СИД является размер областей когерентного рассеяния (ОКР).
Практическая значимость:
- разработан состав Y3Al5-х-yMgхSiyО12: Се с жёлто-оранжевой люминесценцией без применения гадолиния, что позволяет удешевить люминофор и расширить область цветовых температур белого СИД в сравнении с редкоземельным гранатом ГАГ:Се.
- разработан оптимальный состав реакционной смеси, используемый при получении частиц ИАГ:Се субмикронного размера методом горения с квантовым выходом не менее 0,95.
Защищаемые положения:
1. Применение метода горения для синтеза люминофоров на основе гранатов РЗЭ в виде частиц субмикронных размеров.

2. Состав реакционной смеси и параметры технологического отжига продуктов реакции горения, обеспечивающие достижения квантового выхода не менее 0,95.
3. Эффект увеличения яркости (квантового выхода) фотолюминесценции ИАГ:Се, возбуждаемого светом синего СИД при введении в состав люминофора ионов Tb3+ и Dy3+ и механизм сенсибилизации.
4. Пути расширения диапазона цветовых температур СИД на основе люминофора Y3Al5-х-yMgхSiyО12: Се в СИД белого цвета.
5. Необходимость сохранения определённых кристаллографических параметров для достижения высокого квантового выхода.



Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь в написании работ!
ДИПЛОМНЫЕ МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ
КУРСОВЫЕ СТАТЬИ ВКР

1. В результате исследований изучено влияние качественного (замена иттрия ионами гадолиния, алюминия ионами галлия, скандия, магния-кремния, введение соактиваторов и минерализаторов) и количественного состава исходной шихты и способов синтеза люминофора (твёрдофазный синтез, метод совместного осаждения гидроксидов, метод горения) на светотехнические характеристики ИАГ:Се.
2. Разработана технология получения люминофора со структурой граната с заданными свойствами для применения их в СИД белого цвета свечения.
3. Методом горения получен люминофор с оптимальным диапазоном размеров частиц и высоким квантовым выходом. Определена оптимальная температура инициации для синтеза гранатов методом горения, равная 600 оС. Установлено, что оптимальным горючим для синтеза гранатных соединений методом горения является смесь глицина и карбамида в соотношении 1:1.
4. Разработан состав Y3Al5-x-yMgxSiy012: Се с жёлто-оранжевой люминесценцией без применения гадолиния, что позволяет удешевить люминофор и расширить область цветовых температур белого СИД в сравнении с редкоземельным гранатом ГАГ: Се
5. Показано, что квантовый выход фотолюминесценции ИАГ:Се при возбуждении светом синего СИД практически не зависит от размера частиц и определяется размерами областей когерентного рассеяния (ОКР).
6. Установлено сенсибилизирующее действие ионов Tb3+ и Dy3+ на
3+
люминесценцию ионов Се в ИАГ при возбуждении светом в диапазоне 430-475 нм.
7. На основании представлений о взаимном влиянии полиэдров в структуре граната объяснены изменения спектральных характеристик люминофоров при изменении химического состава матрицы. Показано, что вследствие большей связи тетраэдров и додекаэдров между собой, замещение в тетраэдрической позиции граната имеет большее влияние на ионы активатора, занимающего додекаэдрические узлы, чем замещение в узлах с октаэдрической координацией кислорода.



1. Берг А., Дин П. Светодиоды. М.: Мир - 1979. - 686 с.
2. Lorenz M. R. et al. Preparation and properties of solution-grow epitaxial p- n- functions in GaP //J.Appl.Phys.,1966. - V.37. - № 11. - P.4049-4102.
3. Грачёв В. М. Высокоэффективные диодные источники красного излучения из GaP //Физика и техника полупроводников, 1968. - Т.2. - №7. - C.1055-1057.
4. Lorimor O. G. et al. Very high efficiency GaP green light- emitting diodes // J/ Electrochem. Soc.,1975. - V.122. -№ 3. - P.407-412.
5. Iwamoto M. et al. ffigh- efficiency GaP green LED's with doube n-LPE layers //Jap. J. Appl. Phys., 1980. - V.19. - № 11. - P.2157-2163.
6. Вишневская В. И. Высокоэффективные светоизлучающие диоды зелёного и жёлтого свечения на основе жидкофазных GaP p-n- структур// Электронная техника, 1980. - №6.- С.60-64.
7. Алфёров Ж.И. Высокоэффективные светодиоды в красной области спектра на основе гетеропереходов в системе AlAs-GaAs //Физика и техника полупроводников,1972.- Т.6. - №11. - С.2289-2291.
8. Галченков Д.В. Гетеросветодиоды красного цвета свечения на основе твёрдых растворов Ga^AlxAs с внешним квантовым выходом 4 % //Письма в ЖТФ, 1977. -Т.3. - №15. - С.734-741.
9. Коган Л.М. Полупроводниковые светоизлучающие диоды. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 208с.
10. Nakamura S. et al. Super bright green InGaN single quantum-well- strad^re light emitting diodes //J. Appl. Phys., 1995. - V.34. - №108. - P.1332-1335.
11. White light LED’s in the spotlinght //Compound semiconductor, 1999. - №1-2. - P.30-32.
12. Nakamura S.et al. The blue laser diode: GaN laser light emitters. Berlin: Springer-Verlag, 1997. - 330 p.

13. Keiht M.L., Roy R. //Лшег. Mineralogist, 1954. - V.39. - №1-2. - P.l.
14. Warshaw I., Roy R. //J. Лшег.Сегаш. Soc., 1959. - V.42. - №9. - P.43.
15. Торопов Н.А., Бондарь И.А., Галахов Ф.Я., Никогосян Х.С., Виноградова Н.В. Фазовые равновесия в системе окись иттрия- глинозём // Изв. АН СССР. Серия химическая, 1964. - №7. -С.1158- 1162.
16. Соединения редкоземельных элементов. Системы с оксидами элементов
I- III групп /Ред. Л.М. Ковба и П. А. Арсеньев. Сер. «Химия редких элементов». - М.: Наука, 1983. - 280 с.
17. Gilleo M.A., ОеНег S. Magnetic and costal graphic properties of substituted
yttrium-iron garnet 3 Y2O3 - хМ203 -(5-х)Бе203 //Phys. Rev., - 1958. - V.110. -№1. - P.73-78.
18. Yoder M.A., Keiht M.L. //Лшег. Mineralogist, 1951. - V.36. -№5. - P.519.
19. Глушкова В.Б., Кржижановская В.А., Егорова О.Н., Удалов Ю.П., Качалова В.П. Взаимодействие оксидов иттрия и алюминия //Изв.
АН СССР. Неорганические материалы, 1983. - Т.19. - №1.- С.95-
99.
20. Gurtis C.E., Jonson J.R. //J. AmerCeram. Soc., 1957. - V.40. -№1. -P.15.
21. Aldred F.U.,White A.E. //Trans. Brit. Ceram. Soc., 1959. - V.58. -№4. - P.199.
22. Shneider S. J., Roth R.S., Warind I.L. //J. Res. Nat. Brn Stand., 1961. - V.65A. - №4. - S.345.
23. Тресвятский С.Г., Кушаковский В.И., Белеванцев В.С. //Атомная энергия, 1960. - Т.9. - №9. - С.219-222.
24. Будников П.Н., Кушаковский В.И., БелеванцевВ.С. Изучение систем Gd203 -Ab03 и Sm203 -A^ // ДАН СССР, 1965. - Т.165. -№5. - С.1075- 1077.

25. Портной К.И., Тимофеева Н.И. Синтез и свойства моноалюминатов редкоземельных элементов //Изв. АН СССР. Неорганические материалы, 1965. - Т.1. - №9. - С.1568-1561.
26. Mizuno M., Yamada T., Noguchi T. Phase diagram of the system Al2O3- Gd2O3 of high temperatures //J.Ceram.Soc.Jap., 1977. - V.85. - Р.543-548.
27. Бондарь И.А., Ширвинская А.К., Попова В.Ф. Термическая устойчивость ортоалюминатов редкоземельных элементов иттриевой подгруппы //Доклады АН СССР, 1979. - Т.249. - №2. - С.1132-1136.
28. Allibert M., Chatillon C., Mareschal I., Lissalde F //J. Cryst. Growth, 1974.- V.23. -№4. - P.289-294.
29. Бондарь И. А., Дегтерёва В. Л., Цейтлин П. А. Фазовые равновесия в системе Gd2O3 -Ga2O3 //Журнал неорганической химии, 1988. - Т.33. - №12. - С. 3152-3156.
30. Nicolas I., Coutures I., Boudot B. //J. Solid State Chem., 1984. - V.52. - №2. - P.101.
31. Mizuno M., Yamada T. Phase diagram of the system Gа2O3-Gd2O3 of high temperatures //J. Ceram . Soc. Japan., 1985. - V.93. - №11. - P.686.
32. Di Guiseppe M.M., Solid S.L., Wender W.M. //J. Cryst. Growth., 1980.- V. 49. - №4. - P.746.
33. Brandle C.D., Stenfink H. The crystal structure of Eu4Al2O9 //Inorg.Chem., 1969. - V.8. - №6. - P.1320-1324.
34. Торопов Н.А. Диаграммы состояний силикатных систем. М.: Наука, 1965. вып.1.
35. Трофимов А.К., Савинова И.Р. Исследование реакций в твёрдых фазах в системах Y2O3-Ga2O3 и Y2O3-Al2O3 с помощью спектров люминесценции европия //ЖНХ, 1970.- т.15. - №11.- С.2994-2997.
36. Ефремов В.А, Захаров Н.Д., Кузьмичёва Г.М., Мухин Б.В. Иттрий- скандий-галлиевый гранат- кристаллическая структура //Журнал неорганической химии, 1993. - Т.38. - №2. - С.220-225.
37. Заявка Японии №23353, 1984.

38. Yoder H. S., Keith M.L. //Amer. Mineralogist, 1952. - V.36. -№6.
P.1598.
39. Леонидов И.А. Химия образования кальций-ванадий-феррограната // Журнал неорганической химии, 1983. - Т.19. - №2. - С.2212-2215.
40. Nakatsuka A., Yoshiase A., Yamanaka T. Cation distribution and crystal chemistry of Y3Al5-xGaxO12 (0 41. Заявка Германии №199511790, 2001.
42. Зиновьев С.Ю., Кузьмичёва Г.М., Козликин С.Н. Особенности поведения твёрдых растворов редкоземельных галлиевых гранатов, содержащих скандий //Журнал неорганической химии, 1990. - Т.35. - №9. - С. 2197-2204.
43. Петров А.Н., Остроушко А.А. Фазовые превращения, сопровождающие синтез ферро-ванадиевых гранатов // Журнал неорганической химии, 1985. - Т.30. - №10. - С. 2638-2641.
44. Нейман А.Я., Ткаченко Е.В., Квичко Л.А., Коток Л.А. Условия и макромеханизм твёрдофазного синтеза алюминатов иттрия //Журнал неорганической химии, 1980. -Т.25. - №9. - С.2340-2345.
45. Guo X., Sakurai K.Formation of yttrium а1uminium рerovskite and garnet by mechanikal solid-state reaction //Jpn.J.Apl.Phys., 2000. - V.39. - Pt.1. - №3. -P.1230-1234.
46. Патент США №4762639, 1988.
47. Ming Chen, Teng-Chen S.C., Yu Chao Jung.
Preparation and charakterisation of garnet phospor nanoparticles dеrived from oxalate coprecipitation //Journal of Solid State Chemistry, 1999. - V.144. - P.437-441.
48. Глушкова В.Б., Зиновьев С.Ю. Синтез алюмогранатов РЗЭ и иттрия при совместном осаждении гидроксидов //Изв. АН СССР. Неорганические материалы, 1986. - Т.22. - №7. - С.1219-1222.
49. Патент США №3657140, 1972.

50. Tien T.Y., Gibbons E.F., DeLosh R.G. Ce3+activated and some of its solid solutins //J.Electrnchem.Soc., 1973. - V.120. - №2. - Р.278-281.
51. Чалый В.П., Полянецкая С.П. Условия и механизмы образования галлата-граната иттрия //Украинский химический журнал, 1981. - Т.47. - №9. - С.660-662.
52. Pa^ C.H., Pa^ S.J., Byung-Yong Y.VUV excitation of Y3Al5012 -Tb phospor prepared by a sol-gel process// J. Mater Sci, Lett., 2000. - V.19. - №4. - P.335-338.
53. C.J. Young, D. Ravichandran, S.M. Beomguist, D. Morton. Alkoxy sol-gel derived Y3-xAl5012 -Tbx thin films as efficient cathodoluminescent phospore //Appl. Phys. Lett., 2001. - V.78. - №24. - P.3800-3802.
54. Ruan Shen-Kang, Zhou Jian Guo, Zhong Ai-Min Syntesis of Y3Al5012 -
3+
Eu phospoг by sol-gel metod and its luminescence behav^ //Journal of Alloys and Compounds, 1998. - V.275-277. - P.72-75.
55. Vaqueiro Р., Lopez-Quintella М.А. Synthesis of yttгiuш aluminium gamet by the citгate gel process//J. Mateг. Chem., 1998. - V.8 - №1. - P.161-163.
56. Yan M.T., Huo T.C.D., Ling H.C. Preparation of based рhosphor powder //J.Electгocheш.Soc., 1987 - V.134. - №2. - P.493-498.
57. Shea L.E., McKittrick J., Lopez 0.A Syntesis of red- emitting small particle size luminescent oxides using an optimized combustion //J. AmerCeram. Soc., 1996. - V.79. - №12. - P.3257-3265.
58. Kingsley J., Suresh К., Patil K.C. Combustion synthesis of fine pагticle гаге еаг! огtоаluшinates аnd yttгiuш аluшiuш gamet //J.Solid State Chеш., 1990. - V.87. - Р.835-842.
59. Вест А. Химия твёрдого тела. Теория и приложения. Часть 1.М.:Мир, 1988.- 556 с.
60. Морозова А.П., Лукин Е. С., Ефимовская Т.В., Смоля А.В., Пантелеева И.Ф. Синтез алюмоиттриевого граната //Стекло и керамика, 1978. - №3.- С.25-27.
61. Naka S., Takenaka S., Sekya T., Noola T. //J.Chem. Soc. Japan. Indusfr.

Chem. Sect., 1966. - V.69. - №6. - P.1112.
62. К. Ohnо, Т. АЬе. ^е syn^sis аnd pаrticle-grоwth mесhаnism оf bright g^n phоsphоr: YАG:Tb//Еlесtrосhеm. Sос. 1994.V. 141. №5.
63. Geller S. Crystal chemistry of the garnets //Z. Kristallographic, 1967. - V.125. - №1-6. - Р.1-47.

Работу высылаем на протяжении 30 минут после оплаты.




©2025 Cервис помощи студентам в выполнении работ
.