CN113072940A - 一种led植物照明用双发射荧光粉及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于发光材料领域,公开了一种LED植物照明用双发射荧光粉及其制备方法和应用。该荧光粉的化学通式为K2Ca1‑xPO4F:xEu2+,yA,其中0<x≤0.1;A是助溶剂,为NH4F、CaF2、KF、H3BO3、LiF、Li2CO3中的一种;y为A占合成K2Ca1‑ xPO4F:xEu2+荧光粉所用原料总重量的重量百分比,且0≤y≤5wt%。本发明荧光粉依据掺杂浓度及激发波长的不同,展现出青光与红光发射强度可调的特性,且双发射谱带半峰宽较大,能够与植物叶绿素吸收相匹配。本发明荧光粉能够被紫外及近紫外光激发,具有较高的发光量子效率及较低的发光热猝灭性能,在LED植物照明领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于发光材料领域,特别涉及一种LED植物照明用双发射荧光粉及其制备方法和应用。
背景技术
通常植物的生长发育会依赖太阳光,但蔬菜、花卉等经济作物的工厂化生产、组织培养及试管苗的繁殖等还需要人造光源进行补光,以促进光合作用的进行。发生光反应的光***由多种色素组成,如叶绿素a(Chlorophyll a)、叶绿素b(Chlorophyll b)、类胡萝卜素(Catotenoids)等,其主要吸收光谱集中在450nm和660nm。
因此为了促进光合作用,主要采用两种方案进行补光:(1)采用450nm的蓝光LED和660nm的红光LED构建植物照明器件,然而这种方案存在成本高、光效低、器件结构复杂等问题;(2)“蓝光LED芯片+红色荧光粉”荧光转换技术,该技术具有制备简单、光效高、成本低等优点,然而蓝光LED芯片发射谱带半峰宽较窄(~30nm),与植物吸收光谱匹配性不高。
此外,为了能够感知周围环境的光强、光质、光向和光周期并对其变化做出响应,植物进化出了光感受***(光受体)。光受体是植物感受外界环境变化的关键,在植物光反应中,最主要的光受体就是吸收红光/远红光的光敏色素(phytochrome)。光敏色素是一类对红光和远红光吸收有逆转效应、参与光形态建成、调节植物发育的色素蛋白,它对红光(red light,R)和远红光(far red light,FR)极其敏感,在植物从萌发到成熟的整个生长发育过程中都起到重要的调节作用。植物体内的光敏色素以两种较稳定的状态存在:红光吸收型(Pr)和远红光吸收型(Pfr),两种光吸收型在红光和远红光照射下可以相互逆转。光敏色素相关的研究结果表明,光敏色素(Pr,Pfr)对植物形态的作用包括种子萌发、去黄化作用、茎的伸长、叶的扩展、避荫作用以及开花诱导等。然而传统的LED植物照明方案只针对光合作用,忽略了远红光在植物形态建成方面的作用。
综上可以看出,如何制备出紫外及近紫外激发的全光谱(蓝光+红光+远红光)植物照明器件显得尤为重要。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明的首要目的是提供了一种LED植物照明用双发射荧光粉。
本发明的另一目的在于提供一种上述LED植物照明用双发射荧光粉的制备方法。
本发明的再一目的在于提供一种上述LED植物照明用双发射荧光粉在植物照明领域中的应用。
本发明的目的通过以下技术方案实现:
一种LED植物照明用双发射荧光粉,该荧光粉的化学通式为K2Ca1-xPO4F:xEu2+,yA,其中0<x≤0.1;A是助溶剂,为NH4F、CaF2、KF、H3BO3、LiF、Li2CO3中的一种;y为A占合成K2Ca1-xPO4F:xEu2+荧光粉所用原料总重量的重量百分比,且0≤y≤5wt%。
上述的一种LED植物照明用双发射荧光粉的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
S1.以含K化合物、含Ca化合物、含P化合物、含F化合物、含Eu化合物及助溶剂为原料,根据上面所述化学通式,称取原料并将原料混合均匀;
S2.将S1中混匀的原料在还原气氛下进行煅烧,然后冷却至室温,取出,经研磨即可得到LED植物照明用双发射荧光粉。
步骤S1中所述的含K化合物为K2CO3、KF、KH2PO4中的一种以上。
步骤S1中所述的含Ca化合物为CaCO3、CaF2中的一种以上。
步骤S1中所述的含P化合物为NH4H2PO4、KH2PO4中的一种以上。
步骤S1中所述的含F化合物为CaF2、KF中的一种以上。
步骤S1中所述的含Eu化合物为Eu2O3、EuF3中的一种以上。
步骤S2中所述的还原气氛为N2和H2混合气体,其中H2占混合气体的体积百分数为5%~20%。
步骤S2中所述的煅烧温度为900~1100℃,煅烧时间为4~10h。
上述的LED植物照明用双发射荧光粉在LED植物照明领域中的应用,能够与紫外或近紫外LED芯片进行LED植物照明器件封装,得益于红光发射谱带半峰宽较宽,器件发射光谱能够覆盖蓝光、红光及远红光区域。
与现有技术相比,本发明具有如下优点和有益效果:
(1)通过调整Eu离子的掺杂浓度,蓝光发射强度与红光发射强度可以实现可控调节,进而可以获得不同蓝光与红光比例的荧光粉;
(2)改变不同激发波长激发双发射荧光粉,蓝光发射强度与红光发射强度亦可以实现调控;
(3)本发明提供的LED植物照明用双发射荧光粉具有较高的发光量子效率,经优化内量子效率约为55%~95%,外量子效率约为40%~80%;
(4)本发明提供的LED植物照明用双发射荧光粉具有低发光热猝灭性能,在150℃时发光几乎无猝灭;
(5)本发明提供的LED植物照明用双发射荧光粉能够被紫外或近紫外LED芯片有效激发,得益于红光发射谱带较宽,该LED植物照明器件能够同时提供蓝光、红光及远红光。
附图说明
图1为实施例1中双发射荧光粉的XRD图谱;
图2为实施例1中双发射荧光粉的激发与发射光谱;
图3为实施例2中不同Eu掺杂浓度双发射荧光粉的发射光谱;
图4为实施例2双发射荧光粉在不同激发波长下的发射光谱;
图5为实施例3双发射荧光粉的荧光寿命衰减曲线;
图6为实施例4双发射荧光粉的变温光谱;
图7为实施例5中双发射荧光粉在LED植物照明器件中的应用;
具体实施方式
以下结合具体实施例和附图来进一步说明本发明,但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明,本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明,本发明所用试剂和材料均为市购。
实施例1:
本实施例所得双发射荧光粉的化学组成为K2Ca0.99PO4F:0.01Eu2+,3wt%H3BO3。
表1实施例1中双发射荧光粉的原料组成
原料 | CaCO<sub>3</sub> | CaF<sub>2</sub> | KH<sub>2</sub>PO<sub>4</sub> | K<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> | Eu<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | H<sub>3</sub>BO<sub>3</sub> |
质量(g) | 0.9416 | 0.7496 | 2.6128 | 1.3268 | 0.0338 | 0.1699 |
按照表1精确称量分析纯的碳酸钙(CaCO3)、氟化钙(CaF2)、磷酸二氢钾(KH2PO4)、氧化铕(Eu2O3)、硼酸(H3BO3)。将精确称量的原料置于玛瑙研钵中充分研磨,混合均匀后置于刚玉坩埚中,而后转移至管式炉中,在体积分数分别为5%和95%的H2和N2混合还原气氛下,于960℃管式炉中烧结6h,随炉冷却至室温,研磨即可得到双发射荧光粉样品。图1所示为实施例1对应样品的XRD图谱,可以看出,所得产物的X射线衍射峰与K2CaPO4F标准卡片匹配。该样品在330nm激发下,发射光谱呈现双发射特性,发射主峰分别位于480nm及660nm,发射带半峰宽分别为69nm及142nm。监测480nm及660nm可以得到不同的激发光谱(如图2所示)。
实施例2:
本实施例所得双发射荧光粉的化学组成分别为K2Ca(1-x)PO4F:xEu2+,5wt%NH4F(x=0.002;0.004;0.008;0.015;0.020)。
表2实施例2中不同Eu2+掺杂浓度双发射荧光粉的原料组成
按照表2精确称量分析纯的碳酸钾(K2CO3)、氟化钾(KF)、碳酸钙(CaCO3)、磷酸二氢铵(NH4H2PO4)、氧化铕(Eu2O3)、氟化铵(NH4F)。将精确称量的原料置于玛瑙研钵中充分研磨,混合均匀后置于刚玉坩埚中,而后转移至管式炉中,在体积分数分别为10%和90%的H2和N2混合还原气氛下,于1000℃管式炉中烧结8h,随炉冷却至室温,研磨即可得到双发射荧光粉样品。图3所示为不同Eu掺杂浓度样品在330nm激发下的发射光谱,从图中可以看出,低浓度掺杂样品青光较强,高浓度掺杂样品红光较强,呈现出明显的浓度依赖特性。且获得的荧光粉在不同波长激发下可以获得不同光色(如图4所示)。
实施例3:
本实施例所得双发射荧光粉的化学组成为K2Ca0.995PO4F:0.005Eu2+,8wt%LiF。
表3实施例3中双发射荧光粉的原料组成
原料 | CaCO<sub>3</sub> | CaF<sub>2</sub> | KH<sub>2</sub>PO<sub>4</sub> | K<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> | EuF<sub>3</sub> | LiF |
质量(g) | 0.9512 | 0.7496 | 2.6128 | 1.3268 | 0.0201 | 0.4528 |
按照表3精确称量分析纯的碳酸钙(CaCO3)、氟化钙(CaF2)、磷酸二氢钾(KH2PO4)、碳酸钾(K2CO3)、氟化铕(EuF3)、氟化锂(LiF)。将精确称量的原料置于玛瑙研钵中充分研磨,混合均匀后置于刚玉坩埚中,而后转移至管式炉中,在体积分数分别为20%和80%的H2和N2混合还原气氛下,于1050℃管式炉中烧结4h,随炉冷却至室温,研磨即可得到双发射荧光粉样品。从405nm激发的激光共聚焦成像可以看出,该双发射荧光粉是由不同光色的发光颗粒构成,青色发光颗粒与红色发光颗粒是相对独立的。进一步测试青光与红光的荧光寿命如图5所示,从图中可以看出,二者寿命差异较大,来源于不同的发光中心。
实施例4:
本实施例所得双发射荧光粉的化学组成为K2Ca0.99PO4F:0.01Eu2+。
表4实施例4中双发射荧光粉的原料组成
原料 | K<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> | KF | CaCO<sub>3</sub> | CaF<sub>2</sub> | NH<sub>4</sub>H<sub>2</sub>PO<sub>4</sub> | Eu<sub>2</sub>O<sub>3</sub> |
质量(g) | 1.3267 | 1.1155 | 0.9416 | 0.7496 | 2.2085 | 0.0338 |
按照表4精确称量分析纯的碳酸钾(K2CO3)、氟化钾(KF)、碳酸钙(CaCO3)、氟化钙(CaF2)、磷酸二氢铵(NH4H2PO4)、氧化铕(Eu2O3)。将精确称量的原料置于玛瑙研钵中充分研磨,混合均匀后置于刚玉坩埚中,而后转移至管式炉中,在体积分数分别为5%和95%的H2和N2混合还原气氛下,于950℃管式炉中烧结10h,随炉冷却至室温,研磨即可得到双发射荧光粉样品。在330nm激发下测试其变温光谱如图6所示,从图中可以看出,荧光粉在150℃时几乎无发光猝灭,表现出优异的发光热稳定性。
实施例5:
本实施例所得双发射荧光粉的化学组成为K2Ca0.996PO4F:0.004Eu2+,4wt%H3BO3。
表5实施例5中双发射荧光粉的原料组成
原料 | CaCO<sub>3</sub> | CaF<sub>2</sub> | KH<sub>2</sub>PO<sub>4</sub> | KF | Eu<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | H<sub>3</sub>BO<sub>3</sub> |
质量(g) | 0.9531 | 0.7496 | 2.6128 | 0.5577 | 0.0135 | 0.1955 |
按照表5精确称量分析纯的碳酸钙(CaCO3)、氟化钙(CaF2)、磷酸二氢钾(KH2PO4)、氟化钾(KF)、氧化铕(Eu2O3)、硼酸(H3BO3)。将精确称量的原料置于玛瑙研钵中充分研磨,混合均匀后置于刚玉坩埚中,而后转移至管式炉中,在体积分数分别为10%和90%的H2和N2N2混合还原气氛下,于1100℃管式炉中烧结5h,随炉冷却至室温,研磨即可得到双发射荧光粉样品。结合380nm LED芯片及该样品封装LED植物照明器件,其发射光谱如图7所示,得益于红光谱带较宽,该器件能够满足植物在蓝光、红光及远红光区的光谱需求。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种LED植物照明用双发射荧光粉,其特征在于:该荧光粉的化学通式为K2Ca1-xPO4F:xEu2+,yA,其中0<x≤0.1;A是助溶剂,为NH4F、CaF2、KF、H3BO3、LiF、Li2CO3中的一种;y为A占合成K2Ca1-xPO4F:xEu2+荧光粉所用原料总重量的重量百分比,且0≤y≤5wt%。
2.根据权利要求1所述的一种LED植物照明用双发射荧光粉的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
S1.以含K化合物、含Ca化合物、含P化合物、含F化合物、含Eu化合物及助溶剂为原料,根据权利要求1所述化学通式,称取原料并将原料混合均匀;
S2.将S1中混匀的原料在还原气氛下进行煅烧,然后冷却至室温,取出,经研磨即可得到LED植物照明用双发射荧光粉。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:步骤S1中所述的含K化合物为K2CO3、KF、KH2PO4中的一种以上。
4.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:步骤S1中所述的含Ca化合物为CaCO3、CaF2中的一种以上。
5.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:步骤S1中所述的含P化合物为NH4H2PO4、KH2PO4中的一种以上。
6.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:步骤S1中所述的含F化合物为CaF2、KF中的一种以上。
7.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:步骤S1中所述的含Eu化合物为Eu2O3、EuF3中的一种以上。
8.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:步骤S2中所述的还原气氛为N2和H2混合气体,其中H2占混合气体的体积百分数为5%~20%。
9.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:步骤S2中所述的煅烧温度为900~1100℃,煅烧时间为4~10h。
10.权利要求1所述的LED植物照明用双发射荧光粉在LED植物照明领域中的应用。
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