[发明专利]一种铈掺杂氮化铝材料及其制备方法、发光特性调控方法

说明书

本发明提供一种铈掺杂氮化铝材料的发光特性调控方法，通过改变铈掺杂氮化铝材料中氧杂质的浓度，改变所述材料可见光范围内的发光颜色，在同一基质上实现不同颜色的可见光的连续变化，解决了现有的白光合成中使用不同基质材料，各材料间可能存在相互反应、成本高、成品不稳定等问题。本发明还涉及氮化铝材料的材料的方法，能够有效、精确控制制备的铈掺杂氮化铝中氧杂质的含量，该制备方法获得的铈掺杂氮化铝发光范围从蓝紫光到红光，发光范围覆盖整个可见光区域。

技术领域

本发明属于发光材料技术领域，特别涉及了一种采用氮化铝基质稀土掺杂的发光材料的制备及发光性能调控的新方法。

背景技术

稀土掺杂半导体因其独特的发光特性在光电子领域有广阔的应用前景。稀土掺杂Ⅲ族氮化物半导体，因其在电致发光器件、光纤通信和其他光电领域具有重要的潜在应用价值而受到越来越多的关注。铈(Ce)是稀土元素之一，由于其在紫外可见区的快速高效发光而备受关注。此外，Ce³⁺的激发态(5d能级)中只有一个电子，而5d能级受电子云重排效应(共价性)、晶场分裂和斯托克斯位移影响很大。因此，Ce³⁺的发光特性可以通过改变局部环境组成来控制，从而能够调节发射颜色以满足预期的应用。到目前为止，关于铈(Ce)掺杂氮化铝(AlN)制备及发光性能的报道很少。例如，Si⁴⁺和Ce³⁺离子共掺杂氮化铝(AlN)表现出蓝色发光性能(Chem.Mater.24(2012)3486-3492)。单晶铈(Ce)掺杂氮化铝(AlN)块体在600nm处的强烈粉红色发射(Sci.Rep.4(2014)3778)。高品质铈(Ce)掺杂氮化铝(AlN)陶瓷具有了广泛的白色辐射(APL.Mater.4(2016)126105)。Giba等人报道含有氧杂质的铈(Ce)掺杂氮化铝(AlN)薄膜展现了强烈的蓝色发光(ACS Photonics 4(2017)1945-1953)。接着他们演示了调节局部结构、电子结构和薄膜厚度来控制铈(Ce)掺杂氮化铝(AlN)薄膜的发射颜色，从蓝色到绿色，再到黄色，最后变成白色(J.Phys.Chem.C 122(2018)21623-21631)。本发明人之前报道过铈(Ce)掺杂氮化铝(AlN)分级纳米结构，发光峰与单晶铈(Ce)掺杂氮化铝(AlN)块体相同，发光中心为600nm。综上所述，目前现有技术中对可见光发光颜色的调控多集中于稀土元素的比例和材料物理特性调控。

氧通常被认为是氮化铝中的一种天然杂质，氮化铝中氧杂质的含量难以精确控制。因此，现有技术中并没有针对调节氮化铝发光材料中氧含量的相关研究，也没有方法表明有手段能够使氮化铝发光材料的发光特性在整个可见光范围内得以精确调控，本发明致力于探索解决这一问题的新方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，通过简单的引入氧杂质的方法，调控氮化铝发光材料在可见光范围内的发光性能，以及在同种基质上制备不同发光颜色的氮化铝发光材料。

为解决上述技术问题，本发明提供一种铈掺杂氮化铝材料的发光特性调控方法，通过改变铈掺杂氮化铝材料中氧杂质的浓度，改变所述材料可见光范围内的发光颜色。

上述方法中，氧杂质的浓度变化范围为0-5％。

具体的，

改变氧杂质浓度为0-0.8％，材料发光颜色由红光变为橙光；

改变氧杂质浓度为0.8％-1.8％，材料发光颜色由橙光变为黄光；

改变氧杂质浓度为1.8％-2.3％，材料发光颜色由黄光变为绿光；

改变氧杂质浓度为2.3％-3.2％，材料发光颜色由绿光变为蓝光；

改变氧杂质浓度为3.2％-4.6％，材料发光颜色由蓝光变为蓝紫光。

本方法通过简单改变铈掺杂氮化铝材料中的氧杂质含量，调整铈掺杂氮化铝发光特性，使其覆盖整个可见光范围，并在可见光范围内的颜色变化得以调控，并且方法简单、成本低。