奈米螢光粉體矽酸鋅 Zn 2 SiO 4 摻雜鋁 Al 發光特性之研究

1. 奈米螢光粉體矽酸鋅Zn2SiO4摻雜鋁Al發光特性之研究奈米螢光粉體矽酸鋅Zn2SiO4摻雜鋁Al發光特性之研究 黃英勝1、林豐益2、吳宗勳1、鄭建民1、陳開煌*3 Ying-Shang Huang1, Fang-I Lin1, Tzung-Shiun Wu1, Chien-Min Cheng1,and Kai-Huang Chen2 1南台科技大學電子工程 Department of Electronic Engineering, Southern Taiwan University 2國立高雄應用科技大學電子工程系 Department of Electronic Engineering,National Kaoshiung University of Applied Science *3東方設計學院電子與資訊系 Department of Electronic Engineering and Computer Science, Tung-Fang Design University 摘要 在本實驗中，採用固相反應法將奈米級氧化鋅(ZnO)與二氧化矽(SiO2)按比例合成Zn2SiO4螢光粉體，藉此改善傳統粉末很難控制晶粒大小及形狀的缺點。並在不同的 燒結條件下探討鍛燒溫度、摻雜活化離子濃度對螢光發光強度的影響。我們利用X繞 射(XRD)、螢光光譜儀器(PL) 以及穿透式電子顯微鏡(FEG-TEM)進行晶體結構、發光 效率與晶體微結構鑑定。 1. 1. 圖3-1~3-2所得不同鋁(Al)摻雜數、不同煅燒溫度下之PL整合圖，其PLE在350nm左右，所以選以350nm當激發光源，粉體發光的波長在435nm、451nm、782nm附近，其中435nm可以解釋為電子由硫空缺所形成之能接跳躍至價帶而成。 2. 由結果得知，隨著鍛燒溫度的增加，結晶性就會愈佳。而且ZnO會揮發，所以只需要 摻雜微量的活化離子濃度(Al)，就可以使其螢光發光效率提升。在氮氣氛下1000℃ 的鍛燒溫度及摻雜5mol%活化離子可以獲得最佳螢光發光效率。 前言 1. 近數十年來，已開發國家基於節約能源與環境保護之共識，皆選擇白光發光二極體作為二十一世紀照明知新光源。根據專家評估，若將所有的白幟燈以白光發光二極體取 代的話，發電廠每年則可省下非常龐大的發電量，間接的在發電過程中所排放的二 氧化碳也減少，進而減低對地球環境的破壞。 目前在汽車照明方面，從早期使用鎢絲燈泡到近年來大幅改以LED取代，因其具有省 電、體積小、壽命長、下雨起霧時安全性高的優點，而汽車應用高亮度發光二極體 主要以煞車燈、方向燈、尾燈組等車後端照明為主。基於資源短缺，油價不斷攀升，汽車內部之電子儀器之電源都必須依靠汽油，如果將汽車內外的燈具改用發光二極體的話，將可以省下15%的耗油量，達到節省能源的目標。 2. 圖3-1 本體鍛燒900~1100℃之波長 圖3-2 摻雜鋁(Al)1000℃整合1％、3％、5％ 之波長 圖5在這次實驗中鍛燒溫度在1000℃活化離子添加5mol%鍛燒氣氛為氮氣的條件下可以獲得為藍色的激光最高的發光體。 2. 3. 同色澤的螢光粉的應用十分廣泛，包括從早期的日光燈、倪鴻燈等照明設備，一直到目前被受矚目的電子顯示器。就白光發光二極體而言，其輕巧及壽命長的優點，將取代過去的照明設備，而電子顯示器是所有螢光粉產業中發展最有迅速的，其中陰極射線管長久以來位居顯示器的首位。但自電漿顯示器、電激發光顯示器等接二連三地出現，它的地位已不復從前。 4. 這些螢光粉體仍然有成本高、發光效率不佳、殘光等多數的問題存在。在顯示與照明設備元件中，雖然說螢光粉體只占元件的5~10％但是卻可以直接影響到顯示與照明設備中70~80％元件的效能。例如在電漿顯示器方面，亮度的提升則是非常重要的課題，若要提昇亮度，提高螢光粉的發光效率事必需的。 實驗 圖4、1000度摻雜相同各1%、3%、5%之PL 圖5、本實驗中螢光發光亮度最佳的粉體為藍色 本實驗採傳統的固相反應製程，其流程如圖1所示。 圖6、所示Zn2SiO4：Al在摻雜不同濃度燒結1100℃之CIE圖。 結論 1. 本實驗是以固相反應法來合成矽酸鋅螢光粉體，而我們直接採用奈米粉末合成其粉體。因奈米粉末本身已經具有粉末均勻性高、粉末極為細緻、粉體粒徑細小的優點，藉此來改善傳統粉末的缺點，提升其發光效率。 2. 當鍛燒溫度越高，螢光粉體的結晶性也越高，則螢光強度就越強。螢光材料的純度、晶相、結晶度、離子缺陷、微結構(晶粒形狀及尺寸)等等因素，都會直接或間接影響到螢光發光的效率。 圖1、Zn2SiO4：AL粉末製作流程結構 結果與討論