基于能量传递可调光色荧光粉Ca2LaTaO6∶ Dy3+, Sm3+的发光性质及其发光二极管器件应用

doi:10.7503/cjcu20210380

摘要/Abstract

摘要：

通过固相反应法设计了Dy³⁺, Sm³⁺共掺杂双钙钛矿结构Ca₂LaTaO₆(CLTO)光色可调的白光发光二极管(LED)荧光粉. 通过Rietveld精修计算, 确定了Ca₂LaTaO₆的晶体结构参数和Dy³⁺, Sm³⁺离子的晶格占位, 并用密度泛函理论(DFT)计算了禁带宽度. 激发/发射光谱和荧光衰减行为证实了共掺杂体系中Dy³⁺到Sm³⁺的能量传递. Dy³⁺→Sm³⁺的能量传递机制为电偶极-电偶极相互作用, 离子间的临界距离为1.176 nm. 基于Dy³⁺→Sm³⁺的能量传递, 可通过调节Dy³⁺/Sm³⁺离子的掺杂浓度比, 使发光颜色从黄色转变为黄红色, 并实现白光发射. 利用该荧光粉与紫外芯片结合制作成白光发光二极管器件, 并确定了这些LED器件的发光效率、 CIE色度坐标、相关色温(CCT)和显色指数(CRI)等. 结果表明, 这些荧光粉在紫外激发的白光LED中具有潜在的应用价值.

关键词: Ca₂LaTaO₆, 能量传递, 色点调谐, 发光二极管器件

Abstract:

A series of Dy³⁺， Sm³⁺ co-doped double perovskite Ca₂LaTaO₆（CLTO） white light emitting diodes（WLED） phosphors with tunable color was designed by solid state reaction method. The crystal structure parameters of Ca₂LaTaO₆ and the lattice occupation for Dy³⁺， Sm³⁺ ions in the host were determined through Rietveld refinement， and the band gap was calculated by density functional theory（DFT）. Meanwhile， the energy migration from Dy³⁺ to Sm³⁺was confirmed by the aids of emission/excitation spectra and luminescent decay measurements. The mechanism of energy transfer was explored to be the resonant type via a dipole-dipole interaction and the critical distances between Dy³⁺ and Sm³⁺ were calculated to be 1.176 nm. Based on the energy transfer for Dy³⁺→Sm³⁺， by tuning the molarity ratio of doping Dy³⁺/Sm³⁺ ions， multicolor emission from yellow to yellow-red and white light shall be achieved in Ca₂LaTaO₆∶Dy³⁺， Sm³⁺ phosphors. Finally， white light-emitting diode prototypes were fabricated using as-prepared phosphors and UV chips， the luminescence efficiency， CIE chromaticity coordinates， correlated color temperature（CCT） and color rendering index （CRI） of the LED prototype were exhibited. The results indicated that these phosphors had potential application in UV white LED.

Key words: Ca₂LaTaO₆, Energy transfer, Color point tuning, LED device

中图分类号:

O611

TrendMD:

袁博, 祁超超, 张相挺, 栾国颜, 邹海峰. 基于能量传递可调光色荧光粉Ca₂LaTaO₆∶ Dy³⁺, Sm³⁺的发光性质及其发光二极管器件应用. 高等学校化学学报, 2021, 42(9): 2717.

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图/表 12

Fig.1 XRD patterns for the CLTO∶Dy3+/Sm3+ phosphors and the standard data of CLTO

Fig.2 Crystal structure model for CLTO(A) and Rietveld refinement for XRD pattern of CLTO: 7%Dy3+ phosphors(B)

Table 1 Crystal structure parameters and fitting results

Crystal system	Monoclinic	β/（°）	90.0730
Space group	P121/n₁（14）	γ/（°）	90
a/nm	0.5671120	V/nm³	0.27235
b/nm	0.5883707	R_p（%）	9.97
c/nm	0.8162113	R_wp（%）	7.75
α/（°）	90	χ²	3.3

Table 2 Atomic coordinates and occupancy ratio obtained through Rietveld refinement

Atom	x	y	z	SOF
Ca1	?0.012300	0.448100	0.252910	0.5
Ca2	0.5000	0.5000	0.0000	1
La1	-0.014422	0.446954	0.250897	0.3072
Dy1	-0.014422	0.446954	0.250897	0.1928
Ta1	0.0000	0.0000	0.0000	1
O1	0.713500	0.177400	0.049400	1
O2	0.672300	0.218400	0.434900	1
O3	0.108900	0.049600	0.229400	1

Fig.3 Band structure(A), the total density of states(B1) and partial density of states(B2—B5) for CLTO host calculated by the DFT method

Fig.4 PLE and PL spectra for CLTO∶7%Dy3+(A) and CLTO∶5%Sm3+ phosphors(B)

Fig.5 Emission spectrum of CLTO∶Dy3+ overlaps with the excitation spectrum of CLTO∶Sm3+(A), comparison of excitation spectra for CLTO∶7%Dy3+, 5%Sm3+, CLTO∶7%Dy3+ and CLTO∶5%Sm3+(B), the emission spectra for CLTO∶7%Dy3+, ySm3+(C), the emission intensity for Dy3+ and Sm3+ ions as a function of Sm3+ concentrations(D)

Fig.6 Decay curves for the emission of Dy3+ ions in CLTO∶7%Dy3+, ySm3+(A) and the energy transfer efficiency ηT for Dy3+→Sm3+(B)

Fig.7 Dependence of I0/ Is of Dy3+ on c6/3(A), c8/3(B) and c10/3(C)

Fig.8 Schematic energy?level diagram of energy transfer mechanism

Table 3 CIE chromaticity coordinates and luminous color of CLTO: 7%Dy3+, ySm3+ phosphors

Number	Sample	CIE （x， y）	Color	Number	Sample	CIE （x， y）	Color
1	CLTO∶7%Dy³⁺	（0.375， 0.527）	Yellow	5	CLTO∶7%Dy³⁺， 9%Sm³⁺	（0.418， 0.352）	White
2	CLTO∶7%Dy³⁺， 1%Sm³⁺	（0.386， 0.487）	Yellow	6	CLTO∶7%Dy³⁺， 11%Sm³⁺	（0.465， 0.330）	Yellow?red
3	CLTO∶7%Dy³⁺， 5%Sm³⁺	（0.389， 0.447）	Yellow	7	CLTO∶7%Dy³⁺， 9%Sm³⁺ LED device	（0.379， 0.343）	White
4	CLTO∶7%Dy³⁺， 7%Sm³⁺	（0.410， 0.405）	Yellow

Fig.9 Electroluminescence spectra of white LED prototypes(A) and the CIE chromaticity coordinates(B)Inset shows the photographs of the white LED prototypes under a forward?bias current of 20 mA.

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基于能量传递可调光色荧光粉Ca₂LaTaO₆∶ Dy³⁺, Sm³⁺的发光性质及其发光二极管器件应用

Luminescence Property and LED Device Application for Color-tunable Ca₂LaTaO₆∶Dy³⁺，Sm³⁺ Phosphor Based on Energy Transfer

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