[发明专利]掺杂稀土金属和过渡金属的Ca1+xSr1-xGayIn2-ySzSe3-zF2荧光粉及其制备方法和应用

说明书

背景技术

本发明涉及掺杂稀土金属和/或过渡金属的Ca_1+xSr_1-xGa_yIn_2-yS_zSe_3-zF₂(0≤x≤1,0≤y≤2,0≤z≤3)化合物及其合成方法，该化合物可用于光子能降频转换应用。

基于发光二极管(LED)的固态照明(SSL)技术有望用于许多应用，包括一般照明、显示器、医疗系统、通讯系统等。在SSL行业的显著进步将有赖于高效率、高能量的白光LED的有效性。目前有效的商用白光LED，尤其是暖白光，并不能满足大多数一般照明应用。它们总的光输出、照明效率、颜色性能以及寿命都必须提高，成本必须减少，这样白光LED才能够在一般照明应用中得到广泛使用。产生白色光源的两种普遍的方法包括：(a)使用基于波长转换结构的荧光粉；以及(b)使用混合色的LED(称为RGB的红色、蓝色和绿色)。这些方法都具有自身的优势。基于RGB的白光LED能够及时地改变颜色，并且在显示器应用上表现出更好的色彩性能。另一方面，RGB白光LED系统需要精密的主动反馈控制，来使光保持在稳定的颜色，因为红光LED、绿光LED和蓝光LED是由不同的半导体材料产生的。目前，RGB照明系统的整体效率很低，其主要由于氮镓铟(Ga_1-xIn_xN)直接发射绿光LED的量子效率低，该绿光LED的峰值发射波长接近555nm(人眼感光度的峰值)。这在该行业中被称为“绿光能隙”。为了获得混合色LED的高照明效率，绿光LED的外量子效率(EQE)需要显著提高。但是，由于迄今为止基于外延生长的Ga_1-xIn_xN直接发射绿光LED的高外量子效率(EQE)还没有实现，所以有很多基本材料的挑战。荧光粉转换白光发光二极管(PC-LED)正在飞速发展，以符合美国能源部(U.S.DOE)制定的2020年固态照明的目标：200流明每瓦(lm/W)。目前，有效的商用白光LED约为100流明每瓦。但是，为了达到200lm/W，许多阶段都需要显著的进步，包括内量子效率、芯片提取效率、和荧光粉系统效率，其包括荧光粉转换效率和LED组装级的提取效率。白光源的混合工艺也可用于一般照明目的。在这个方法中，将最高效率的各个波长(红色、蓝色、绿色、黄色、琥珀色等)的LED整合到一个系统中，以提供混合色。该各个波长的LED可为直接发射LED或荧光粉转换白光发光二极管(PC-LED)。就这点而言，对于绿光发射波长(在绿光能隙)，效能较高的PC-LED比能效较低的直接发射绿光LED更适合。

对于显示器应用，比如液晶显示器(LCD)，相比起现存的冷阴极荧光灯(CCFL)，基于LED的背光有望能提供更优的色饱和度。LCD显示器采用LED背光照明有许多优点：无汞、更长的使用寿命，超过30,000小时、比起CCFL更不易于破裂。但是，比起基于CCFL的显示器，现在的基于LED的显示器能效更低，成本更高。除去传统的一般照明和显示技术，具有不同发射波长的基于LED的光源具有巨大的商业市场。在生物技术、室内农业、光化学反应、适合的照明、光治疗、数据通信等方面的应用只是很少的一些例子。

为了使固态光源能够大规模配置，需要满足一些条件：较高的电光转换效率、低成本、具有各种光谱含量的光源的有效性、在系统中的易制备性和易集成性等。对于大量未来的应用，能够具有可见光谱中任意期望的峰值发射波长是十分必要的。基于半导体p-n结二极管的直接发射LED可用于离散波长，但是将该技术发展用于高效能设备以获得大量的发射波长却并不可行。对于发展直接发射LED以获得任何新的发射波长，需要长期(5-10年)以及巨大的投资。此外，高效能光源中的大量直接发射LED的整体和主动控制是有问题的，产生成本过高，并且在操作过程中消耗的较多能量。PC-LED为一个吸引人的主题，因为发展具有各种发射波长的高效荧光粉(短时期)投资相对较低。使用蓝光或紫外光直接发射Ga_1-xIn_xN LED和Al_1-xGa_xN LED作为荧光粉的激励源，可发展具有许多发射波长的PC-LED。由于制备容易，成本较低、可调的和宽的光谱特性、低能量消耗和易操作性等，PC-LED也具有极大的机会。因为这些原因，全世界在由蓝光LED激发的低频转换荧光粉领域开展深入研究。