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无机发光材料研究现状 许柏涛 2010级物理学专业 摘要：本文主要讲述无机发光材料的发光原理、类别、应用以及对未来的展望。 关键字：LED发光二极管；无机发光材料；半导体照明；发光机理。 引言 在当前全球能源短缺危机不断升高的背景下，节约能源是我们面临的重要问题。在同样亮度下，LED（发光二极管） 电能消耗仅为白炽灯的1／10，而寿命则是白炽灯的100 倍。目前我国每年用于照明的电力约2500 亿千瓦时，如果采用LED 照明，每年就可节电2200 多亿千瓦时，而这个数字是三峡电站年发电量的3 倍，可见LED 的节能效果相当可观 。发光材料已成为人们日常生活中不可缺少的材料，被广泛地用在各种显示、照明和医疗等领域，如电视屏幕、电脑显示器、X射线透射仪等。目前发光材料主要是无机发光材料，从形态上分，有粉末状多晶、薄膜和单晶等。最近，有机材料在电致发光上获得了重要应用。[１] LED的结构及发光原理 1.LED结构：LED的核心部分是半导体组成的芯片，芯片利用胶体固定在支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，整个芯片采用环氧树脂进行封装。所以方正性能较好。如图1. 图1 LED结构 2. LED发光原理：半导体芯片主要是由P型半导体和N型半导体组成。在P型半导体里面是地迁移率的空穴占主导地位，在N型半导体里面是高迁移率的电子占主导地位。这两种半导体之间的载流子浓度是不同的，可以产生相互扩散形成一个过渡层，称为P-N结；在正常条件下，P-N结中的内电厂起到势能垒作用，可以组织电子和空穴继续扩散而发生复合。而当在P-N结两端施加正向电压时外加电场可以降低是能类区域内的电场强度，进而破坏P-N结附近载流子的动态平衡。于是电子从N区注入到P区，空穴从P区注入到N区；这样注入的少数载流子与被注入的多数载流子发生复合，复合产生的能量就会以光子的形式散射出去。如图2. 图2 LED发光原理（半导体照明原理） 二．LED光源的特点1. 电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。2. 效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%。3. 适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境 。4. 稳定性：10万小时，光衰为初始的50% 。5. 响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级 。6. 对环境污染：无有害金属汞 。7. 颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色。8. 价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管构成。 三．无机发光材料 无机发光材料一般由基质和掺杂物两部分组成，其中掺杂物包括激活剂、共激活剂、敏化剂和电荷补偿剂等。 基质是荧光粉的主要组成部分，主要起禁锢激活离子或吸收能量的作用。由于基质中结构和化学键的不同，对基质中特定发光中心的晶体场环境也不同，可以使某些发光跃迁增强或减弱，还可以使某些发光跃迁产生劈裂。因此，基质对荧光材料的发光性能有重要的影响。目前正在研究的红色荧光粉的基质可以分为：硫化物体系、氧化物体系、硫氧化物体系、钒酸盐体系、钛酸盐体系、硅酸盐体系、钼酸盐体系等。 激活剂在荧光粉中的含量非常少，一般只占荧光粉体系的万分之几到百分之几，但激活剂在荧光粉的发光中起着决定性作用。荧光粉中可能只有一种激活离子，也有可能存在两种或多种激活离子。对于只有一种激活离子的荧光粉，激活离子作为发光中心存在，它与基质晶格或同离子之间发生能量传递。 对于有多激活离子的荧光粉，有的激活离子并不能起到发光 中心的作用，但它可以将自己吸收的能量传递给发光中心，改善荧光粉的发光强度和余辉时间；这种激活离子称为敏化剂。 激活剂并不是在所有的基质中都可以作为发光中心，只是相对于某种发光基质而言的；敏化剂并不是对所有的激活剂具有敏化作用，也只是相对于某种基质中的某种激活剂而言的。 由于离子电荷数存在差异，激活离子进入基质晶格后可能会引起电荷的增加后减少，并产生电荷缺陷。为了补偿激活离子进入基质晶格所引起的电荷变化，以有利于激活离子进入基质晶格和不影响激活离子的发光性能，常常在基质晶格中引入点和补偿剂。例如在钛酸盐基质荧光材料中，常用的电荷补偿剂一般为碱金属阳离子和铝离子等。 四．新型无机发光材料 1.稀土配合物发光材料：稀土元素的原子具有未充满的受到外界屏蔽的4f5d电子组态，因此有丰富的电子能级和长寿命激发态，能级跃迁多达20余万个，可以产生多种的