不同温度下的 LED 荧光体性能检测

引言

LED（Light-Emitting Diode）是半导体二极管的一种，能把电能转化成光能。LED是由PN结组成的，其特点是施加正向电压时释放单色光（monochromaticlight），这种现象被称为电致发光（electro- lumine-scence）。LED 通常由基板和化合物半导体组成，以释放蓝光的LED为例，采用可释放蓝色光线的GaN半导体材料，将N型半导体（N-GaN）、过渡层（In-GaN）及P型半导体（P-GaN）依次蒸镀到基板上。如图1b所示，上方设有可施加电压的(+)电极，(-)极则设在N-GaN的局部。zui近，因为白光LED具有环保、使用寿命长的特点，对白光LED的研究颇受关注，相关机构预测将来白光LED可替代荧光灯。白光LED以发光二极管为基础，利用 LED释放的光和相应的荧光体（phosphor）结合，使得混合形成的光的分布十分接近太阳光的白色光。

          图 1. (a) LED 发光原理，(b) 蓝色 LED

图2. 白光LED的4种组合方法

图2所示展示了4种白光LED的组合方法，各组合方法的特点如下：

①蓝色LED+黄色荧光体：这是目前作为zui常用的方法，将GaN基LED芯片的蓝光作为激发光，激发黄色荧光体-Y₃Al₅O₁₂:Ce(YAG:Ce)。蓝色 LED  芯片发出波长约为450nm的蓝光和荧光体发出的波长约为 560nm 的黄光相混合形成白光。

②UV  LED+RGB三波长荧光体：将紫外光LED作为激发光源激发RGB三波长荧光粉产生白光，其发光效率比蓝光*。

③3原色LED发光二极管组合：由红、绿、蓝3种 LED芯片组合而成，不使用荧光体。由于不使用荧光

体，所以不存在荧光体吸收和散射导致的光损失，不过3种LED芯片的发射光谱都不宽，每个芯片的特

性都要调整，不太适合用于照明。

④具有互补关系的2色LED发光二极管组合：将相互具有互补关系的橙色和青绿色LED发光二极管组合为一体的方法，按照 4:1 的比例混合就能形成白光。用于白光LED的荧光材料除了需确保较高的荧光效率，还要维持材料的热稳定性。目前研究人员正在积极研发可满足上述条件的荧光体。在本研究中，利用Lumina的Peltier粉末池附件，以普通荧光物质硫酸锶（SrSO₄）和应用较为广泛的白光LED荧光材料-铝酸盐类荧光剂YAG（Yttrium alumini-um garnet, Y₃Al₅O₁₂）为实验对象，检测不同温度条件下的荧光性能，并对检测结果进行比较。用于本研究的 Peltier 粉末池架采用空气制冷设计，可在20 -90 范围内控制样品的温度，zui高升温速度为 30 /min（图 3）。

图 3. (a) Lumina Peltier 粉末池附件，(b) Peltier 温度控制器

试剂和仪器

1. 荧光分光计(Lumina)

2.LED 荧光粉YAG（钇铝石榴子石 Y₃Al₅O₁₂）3.硫酸锶粉末 [SrSO₄] 4.Peltier 粉末池 5.Peltier 粉末池支架 6.Peltier 温度控制器

实验步骤

1.将YAG（LED荧光剂）粉末放入Peltier粉末池内，盖上盖子，再放置于粉末池支架上。

2.在Lumina上安装Peltier粉末池支架后，连接至Peltier温度控制器上。

3.将Peltier温度控制器的温度设定为20 ，温度稳定后连续检测10次荧光强度并求得平均值。

4.每次升温10 ，温度稳定后连续检测10次并求得平均荧光强度，直至90  。

5.按照步骤1-3对硫酸锶（SrSO₄）粉末进行取样并检测荧光强度。

仪器参数

图 4. (a) YAG(LED phosphor) 粉末检测条件，(b) SrSO₄  粉末检测条件

结果

利用Peltier粉末池附件检测样品的荧光性能，如图5所示随着温度上升，YAG（LED荧光剂）和硫酸（SrSO₄）的荧光强度均呈下降趋势。随着温度上升，LED荧光体的荧光强度下降11%，硫酸锶（SrSO₄）的荧光强度则下降27.7%，具体数据见表1。可以确认LED荧光剂的荧光强度下降幅度小于SrSO

图 5. 在不同温度条件下，YAG(LED phosphor)和 SrSO₄ 的荧光强度

表 1.不同温度条件下，YAG(LED phosphor)和 SrSO₄的荧光强度

随着温度上升，荧光强度下降，这是由于高温条件下荧光分子的运动变得更加活跃，分子间的撞击容易导致能量转移或者系间窜越。因此不同的荧光剂显示不同的温度消光效率2)。另外，观察YAG（LED荧光剂）的发射光谱（图 6），随着温度上升，zui大荧光强度的波长向长波长方向移动约6nm左右（20  为542.6nm，90  为548.4nm）。这主要是由于荧光体吸收光照达到激发态后，释放光量子并返回基态，随着温度上升，会以发热或其他形态失去部分能量，导致返回基态后的分子能量水平有所下降3)。

结论

在本实验中，利用Thermo Fisher的Lumina荧光分光光度计和Peltier粉末池附件检测了不同温度条件下LED荧光剂及普通荧光样品的荧光强度。根据检测结果可确认，随着温度上升，样品的荧光强度会下降，而且LED 荧光体的荧光强度下降幅度小于普通荧光样品。同时，LED 荧光体的发射光谱zui大峰值向长波长方向移动。