Transcript Studii privind sinteza si caracterizarea unui luminofor pe baza
Studii privind sinteza si caracterizarea unui luminofor pe baza de aluminat de ytriu dopat cu ceriu, cu proprietati controlate
Elisabeth-Jeanne POPOVICI 1 , Marius MORAR 1 , Laura MURESAN 1 , Ecaterina BICA 1 , Lucian BARBU-TUDORAN 2 si Emil INDREA 3 1 Institutul de Cercetari in Chimie Raluca Ripan, Universitatea Babes Bolyai, 400294 Cluj-Napoca; [email protected]
2 Centrul de Microscopie Electronica, Universitatea Babes Bolyai, 400028 Cluj- Napoca 3 Institutul National C&D pentru Tehnologii Izotopice si Moleculare, 400298 Cluj-Napoca
1. Introducere
Aluminatul de ytriu dopat cu ceriu cu structura de granat Y 3 Al 5 O 12 :Ce (YAG:Ce) este utilizat pe larg in optoelectronica (LED, FED, PDP) sau dozimetrie (TLD). Prepararea YAG :Ce impune un control riguros al conditiilor de sinteza care sa asigure obtinerea unor pulberi cu structura cristalina, granulatie si proprietati luminescente definite, adaptate domeniului de utilizare.
Luminoforul YAG:Ce se prepara de obicei prin reactie in stare solida SSR care implica multiple cicluri macinare-calcinare la temperaturi mari (>1500C). Metodele alternative, i.e.
sol-gel, combustie sau sinteza pe cale chimica umeda WCS se bazeaza pe scaderea numarului de cicluri si coborarea temperaturii, prin folosirea unui precursor omogen, inalt dispers.
Lucrarea este focalizata pe prepararea, prin reactie in stare solida si respectiv pe cale chimica umeda, a probelor de luminofor YAG :Ce(SSR) si YAG :Ce (WCS) cu proprietati morfo-structurale si luminescente controlate. Metodele implica prepararea prealabila, prin precipitare, a unor pulberi inalt disperse de precursor, folosind tehnica adaosului simultan al reactantilor - SimAdd
tip YAG :Ce (WCS)
(metoda originala) i.e.
S-au sintetizat probele de luminofor: prin c alcinarea, in prezenta fondantului, a unui precursor Y- Ce-Al preparat prin precipitarea speciilor Y 3+ , Ce 3+ , Al 3+
tip YAG:Ce (SSR)
prin cu uree.
calcinarea, in prezenta fondantului, a unui amestec format
din Y 2 O 3 , Ce(NO 3 ) 3 speciilor [Al(OH) 4 ] .
si un precursor de Al, preparat prin descompunerea hidrolitica a Culorea de emisie s-a reglat/modulat prin:
utilizarea unor luminofori de corectie, pentru probe tip YAG:Ce (SSR)
aplicatii in iluminatul special;
substitutia partiala/totala a ionilor Y 3+ cu Gd 3+ , pentru aplicatii in optoelectronica probe tip YAG:Ce(WCS)
2. Prepararea si caracterizarea luminoforului tip YAG:Ce (SSR)
Prepararea luminoforului tip YAG:Ce ( SSR )
NaOH H 2 O Al
Control pH, debit
Y 2 O 3 Na[Al(OH) 4 ] Precipitare Sim-Add AlO(OH) Omogenizare HNO 3 Ce(NO 3 ) 3 Fondant
Caracterizarea materialelor
Fotoluminescenta Emisie PL si Excitare PLE (Spectrofluorimetru JASCO 6500 Wavel) Structura cristalina XRD (Difractometru BRUKER D8 ADVANCE; radiatia CuK ; Difractometru DRON 3M; radiatia CoK •Morfologia particulelor SEM (Microscop JEOL –JSM 5510LV; pelicula Au); TEM (Microscop JEM JEOL 1010; Dispersie US).
1200-1400 0 C /N 2
Sinteza termica Luminofor YAG-Ce Y 3 Al 5 O 12 :Ce(3%) Al Na[Al(OH) 4 ] Y 2 O 3 + AlO(OH) + Ce(NO 3 ) 3 ∆T Precursor AlO(OH) AlO(OH) YAG:Ce Y 2.97
Ce 0.03
Al 5 O 12
Caracterizarea morfo- structurala
Tranzitii electronice in Ce 3+
Proprietati luminescente
0.8
0.6
0.4
0.2
1.2
Excitare em =530nm 1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
1.2
Emisie exc =254nm 1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
1.2
Emisie exc =450nm 1.0
0.0
200 300 400 500 0.0
300 400 500 600 700 0.0
Wavelength (nm) 500 600 700
Spectrele PLE si PL ale unei probe tip YAG:Ce(SSR) [
I pk 450 =15*I pk 254 ] [420] cubic Y 3 Al 5 O 12 -granat a=12.0283 A V=1740.25 A 3
Precursor AlO(OH) Proba tip YAG:Ce (SSR) Imagini TEM si SEM ale nanopulberii de precursor si probei YAG:Ce (SSR)
[210] [321] [400] [422] [431] [521] [440] [532] [444] [640] 20 30 40 50 60 diffraction angle 2 (radiatie CoK )
Difractograma de raze X a probei tip YAG:Ce (SSR)
70
3. Prepararea si caracterizarea luminoforului tip YAG:Ce (WCS)
Prepararea luminoforului tip YAG:Ce ( WCS )
Amestec de azotati Y/Gd-Al-Ce Y/Gd(NO 3 ) 3 +Ce(NO 3 ) 3 +Al(NO 3 ) 3 Reactiv de precipitare OC(NH 2 ) 2
Control pH, debit, temperatura
Precipitare Sim-Add Fondant Precursor Y/Gd-Al-Ce
1200 – 1400 0 C/N 2
Sinteza termica Luminofor YAG-Ce si YGAG:Ce Y 3 Al 5 O 12 :Ce(3%) si (Y, Gd) 3 Al 5 O 12 :Ce(1%)
Caracterizarea morfo-structurala
Parametrii microstructurali in seria YAG:Ce –GAG:Ce
Proba a[nm] V [nm3] D[nm] YAG YGAG (25% Gd) YGAG (50%Gd) YGAG(75%Gd) GAG Y 3 Al 5 O 12 (teor) Gd 3 Al 5 O 12 (teor) 1.2017
1.2030
1.2045
1.7355
1.7409
1.7475
93.16
64.69
36.20
1.2083
1.2106
1.7642
1.7743
23.95
96.96
PDF 79-1892, cubic; a=1.2016 nm PDF 73-1371, cubic; a=1.2113 nm E 0.00058
0.00079
o.00096
0.00280
0.00039
Precursor Gd-Ce-Al Proba tip GAG:Ce(WCS) Precursor Y-Ce-Al Proba tip YAG:Ce(WCS) Imagini SEM ale precursorilor si probelor, ruta WCS
Proprietati luminescente
1.2
Excitare em =530nm 1.0
0.8
1.2
Emisie exc =450nm 1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.6
0.4
0.2
0.0
0.0
200 400 500 500 600 Wavelength (nm) 700
Spectrele PLE si PL ale unei probe tip YAG:Ce(WCS
)
530nm 545nm 548nm 552nm 554nm
0%Gd 300 250 200 Int.
150 100 50 0 100%Gd 75%Gd 25%Gd 50%Gd 500 550 600 Wavelength (nm) 650 700
Spectrele PL ale probelor tip YGAG:Ce(WCS
) 560 550 540 530 Pk position Intensity 200 180 160 60 40 20 0 140 120 100 80 Gd(%)
Variatia pozitiei peak-ului si a intensitatii de emisie a probelor YAG:Ce, YGAG:Ce, GAG:Ce (WCS) in functie de continutul de gadoliniu
5. Caracteristici cromatice ale luminoforilor YAG:Ce. Aplicatii
YTA 6 YAG YAG-YTA YTA 5 YAG YGAG(25%) YGAG(50%) YGAG(75%) GAG Coordonatele tricromatice ale YAG:Ce (SSR) la excitare cu radiatii UV-254 nm. Culoarea de emisie corectata cu luminofori pe baza de YTaO 4.
Utilizare: confectionarea tuburilor de descarcare in gaze, pentru reclame luminoase (CBI a 2008 00781 )
Cod YAG:Ce YTA 5 YTA 6 YAG-YTA Compozitie Y 3 Al 5 O 12 :Ce YTaO 4 :Eu YTaO 4 :Tb Y 3 Al 5 O 12 :Ce +YTaO 4 :Tb +YTaO 4 :Eu Coordonate x=0.3485
y=0.5889
x=0.5718
x=0.2876
x=0.3811
y=0.3184
y=0.5940
y=0.5478
Coordonatele tricromatice ale YAG:Ce(WCS) la excitare cu radiatii Vis-450 nm. Culoarea de emisie corectata prin adaos de gadoliniu. Utilizare: confectionarea LED- urilor cu lumina alba (CBI a 2008 00782)
Cod YAG:Ce (WCS) YGAG:Ce(25%Gd) YGAG:Ce(50%Gd) YGAG:Ce(75%Gd) GAG:Ce Compozitie Gd 2.97
Ce 0.03
Al 5 O 12 Y 2.97
Ce 0.03
Al 5 O 12 Y 2.22
Gd 0.75
Ce 0.03
Al 5 O 12 Y 1.47
Gd 1.5
Ce 0.03
Al 5 O 12 Y 0.72
Gd 2.25
Ce 0.03
Al 5 O 12 Coordonate x=0.3137
x=0.3560
x=0.3783
x=0.3997
x=0.4142
y=0.6292
y=0.6106
y=0.5982
y=0.5847
y=0.5743
Tuburi de descarcare in gaze- GDT confectionate cu luminofor YAG sau YAG-YTA Diode emitatoare de lumina alba –LED-uri confectionate cu luminofor YAG:Ce
5. Concluzii
S-au obtinut probe de luminofori tip YAG:Ce cu proprietati morfostructurale si luminescente armonizate cu cerintele domeniului de utilizare i.e. optoelectronica (LED) sau iluminat special (GDT);
Prepararea luminoforilor tip YAG:Ce s-a facut prin reactie in stare solida-SSR si respectiv sinteza chimica umeda, WCS, prin utilizarea unor nanoprecursori obtinuti prin precipitare, prin tehnica adaosului simultan al reactantilor, SimAdd;
Culoarea de emisie a fost modulata prin: a) amestecarea YAG:Ce(SSR) cu luminofori de corectie (tip YTA ); b) inlocuirea partiala/totala a ionilor Y 3+ din YAG:Ce(WCS), cu Gd 3+ , prin formarea solutiei solide Y 3 Al 5 O 12 :Ce - Gd 3 Al 5 O 12 :Ce .
Multumiri: Cercetarile au fost finantate de ANCS (pr. CEEX 31/2005 /Matnantech; pr. IDEI-2488/CNCSIS