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无机荧光体材料化学

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無機螢光體材料化學Materials Chemistry of Inorganic Phosphors國立交通大學應用化學系陳登銘tmchen@.twTel: 31695無機螢光體材料化學Materials Chemistry of Inorganic Phosphors三13:30-14:20 四10:10-12:00課程內容1. 無機螢光材料簡介2. 螢光材料發光原理與光學特性3. 無機螢光材料之設計4. 無機螢光材料之製備5. 無機螢光材料之特性鑑定6. 螢光材料之應用與研發展望Textbooks1. G. Blasse and B. C. Grabmeier: “Luminescent Materials”,Spinger-Verlag, Berlin (1994)2. R. C. Ropp: “Luminescence and the Solid State”, Elsevier Science Publishers, The Netherlands (1991)References發光學與發光材料」」化學工業出版社(中國1. 徐叙瑢、蘇勉曾:「發光學與發光材料北京2004)2. Phosphor Handbook: S. Shiyonoya and W. M. Yen,CRC Press, Boca Raton, FL, USA, (1998).3. Handbook of Luminescence, Display Materials and Devices, Vol. 3: H. S. Nalwa, American Scientific Publishers, USA (2003)Grading1. Midterm test 45%2. Final exam 45%3. Quizzes 10%Luminescent Materials (1994)G. Blasse(荷蘭University Utrecht) and B. C. Grabmeier(德國Siemens Research Lab)Luminescence and the Solid State R. C. Ropp(Elsevier, 1991)無機螢光材料之主要應用一、螢光體相關的基本概念1. 螢光與磷光(Fluorescence and phosphorescence)2 .電子躍遷選擇律(Electronic transition rules)3. 螢光衰減特性(Decay properties)4. 激發光譜與發射光譜(Excitation and emission spectra)5. 長餘輝與餘輝衰減(Long afterglow and afterglow decay)凝態物質中常見發光凝態物質中常見發光((冷光冷光))之分類Jablonski diagram –describing light absorption and emission and illustrating various molecular processes that occur in excited states.F l u o r e s c e n c e Phosphorescence (103 -1 sec -1)-h νpAbsorption10-8sec -1螢光與磷光產生之過程單態(singlet)三態(triplet)非輻射緩解(radiationless decay)IntroductionLuminescence–emission of light from any substances occurs from the electronically excited states.(Used for QEmeasurements)Structures of typical fluorescent molecules (fluorophores). Jablonski Diagrams-Alexander Jablonski, generally regarded as the father of fluorescence spectroscopy of the 20th centuryCharacteristics of fluorescence-Stokes’shift : fluorescence typically occurs at lower energy and longer λ-Emission spectra are typically independent of λex (Kasha’s rule)-Exception to the mirror image rule (deviations attributed to the different geometric arrangement of nuclei in the excited as compared to the ground state)發光機制發光機制、、原理與實例1. ns 2離子型發光中心KBr:Sn 2+, KCl:Pb 2+2. 遷移型離子發光中心ZnS:Mn 2+, Zn 2SiO 4:Mn 2+3. 稀土離子發光中心f →f (Eu 3+, Tb 3+), d →f (Ce 3+,Eu 2+)4. 錯離子型發光中心Ca[WO 42-], Y[VO 43-]5. 二-七族鹼土鹵化物半導體CaCl 2, SrCl 2, BaCl 26. 二-六族鹼土硫化物半導體SrS:Ce, CaS:Eu, CaS:Eu,Ce7. 二-六族鋅(鎘)硫(硒)化物半導體ZnO, ZnS, ZnS, CdS8. 三-五族化合物半導體GaP, GaAs, (Ga,In,Al)N交通大學螢光體實驗室Phosphors LaboratoryNational Chiao Tung University-螢光衰減特性交通大學螢光體實驗室Phosphors LaboratoryNational Chiao Tung UniversityFluorescence measurements-Steady state measurementsperformed under constant illumination and observations-Time resolved measurementspulsed excitation and high speed detection, used for measuring intensity decays or anisotropy decaysJobin-Yvon SPEX Fluorolog-3螢光光光譜儀400500600700I n t e n s i t y (a .u .)Wavelength (nm)Steady state fluorescence spectra for Zn 2GeO 4:x Mn 2+with different x values.Time resolved fluorescence decay of green-emitting Mn2+ doped Zn2GeO4.The fluorescence decay curves for Zn2GeO4:x Mn excited at 266 nm with a Nd:YAG laser and monitored at λem= 560 nm.二、無機螢光材料簡介無機螢光材料之設計1. 主(母)體2. 活化劑3. 敏化劑4. 螢光淬滅劑無機螢光材料之製備1. 固態燒結法2. 共同沉澱法3.溶膠凝膠法Introduction of Inorganic Phosphors -Compositions (組成)Y 2O 3:Eu , Y 3Al 5O 12:Ce(Sr,Ca)5(PO 4)3Cl:Sb ,Mn ActivatorSensitizerActivatorPhosphsors: Host : A or Host:S,ASelf-activated(自身活化) phosphors:YVO 4, CaWO 4, ZnGa 2O 4(Y 1-x Eu x )2O 3(0<x<1)(Sr,Ca)5-x Sb x Mn y (PO 4)3ClSimple scheme describing the excitation, energy transfer and emission in a phosphor in a H:S,A in solid state.A 活化劑S 敏化劑H 主體主體//基質(Sr,Ca)5(PO 4)3Cl:Sb ,MnSb 3+Mn 2+螢光材料的合成原料配置純化助熔劑之添加燒成氣氛與溫度研磨篩選(粒徑之控制) 表面處理激發(光)源_X-射線電場陰極射線紫外光紅外光螢光體可見光三、無機螢光材料發光原理-發光機制與實例-發光光譜-螢光衰減特性Classification of Luminescence in Non-molecular MaterialsY 3Al 5O 12:Ce 3+Gd 3Al 5O 12:Ce3+(Y,Gd)3Al 5O 12:Ce 3+560+5460+5540+5455+5交通大學螢光體實驗室Phosphors LaboratoryNational Chiao Tung University光致發光(PL) 光譜585+5470+5SrGa 2S 4:Eu2+交通大學螢光體實驗室Phosphors LaboratoryNational Chiao Tung University激發光譜發射光譜交通大學螢光體實驗室Phosphors Research LaboratoryNational Chiao Tung University CL(陰極射線發光)光譜20 kV電子束AC EL(交流電激)光譜長餘輝(long afterglow)材料簡介日本日亞化學公司長餘輝螢光材料(夜光粉)規格之比較應用範圍：夜光標示、門牌、道路緊急標示、戶外標示與裝飾化學元素週期表不同化學組成的夜光材料餘輝衰減之比較時間(分鐘)餘輝強度(任意單位)全球最大夜明珠現世Light OFF五、螢光材料色度學-演色性(CRI, Color rendering index)特定光源使物體真實顏色之表現或還原之程度-色溫(Color temperature, K)黑體受熱隨溫度升高所呈現之發光由深紅黑體受熱隨溫度升高所呈現之發光由深紅→→紅→橙黃橙黃→→白→藍白，當某一光源之發光與黑體之色光相同時當某一光源之發光與黑體之色光相同時，，所對應黑體之絕對溫度-量子效率與能量效率(Quantum and energy efficiency )-三波長照明螢光體(Sr,Ca,Ba)5(PO 4)3Cl:Eu 2+/CaMgAl 11O 19:Ce,Tb /Y 2O 3:Eu -吸收與發射光譜–螢光光譜儀-衰減壽命期(Decay lifetime)交通大學螢光體實驗室Phosphors LaboratoryNational Chiao Tung University色光之混成積分球(Integrating sphere)1931CIE色度座標圖色調飽和度六、無機螢光材料之主要應用螢光材料應用實例(一) 照明燈具傳統照明綠色照明(二) 新世代半導體照明(三) 傳統顯示器(四) 新穎平面顯示器省電螢光燈特殊用途螢光燈Emission spectra of Ca5(F,Cl)(PO4)3 as a function of Mn:Sb:(PO4) ratio: (a)0:0.15:6(藍白), (b) 0.08:0.08:6(日光白), (c) 0.17:0.08:6(冷白), and (d)0.24:0.08:6(暖白)Sb3+Mn2+Excitation spectra of Ca5(F,Cl)(PO4)3 monitored at Sb3+ emission wavelength (detector set at 476 nm) and (b)Mn2+ emission wavelength (detector set at 590nm).最佳激發波長常見螢光照明用螢光材料(燈粉)組成(254 nm)交通大學螢光體實驗室Phosphors LaboratoryNational Chiao Tung University白光發光二極體RGB 各式發光二極體(LED)白光發光二極體交通大學螢光體實驗室Phosphors Laboratory National Chiao Tung University文獻中各種白光LED的實例之比較交通大學螢光體實驗室Phosphors LaboratoryNational Chiao Tung University氮化鎵白光發光二極體(LED)發光原理各種白光LED 常用的螢光材料___________________________________________________________________________激發光源(波長)螢光材料組成. __________________________________________________________________________1. (Ga,In)N chip (470 nm, Blue)YAG:Ce 3+(Y)2. (Ga,In)N chip (420-470 nm, Blue)YBO 3:Ce 3+,Tb 3+(G)/SrGa 2S 4:Eu 2+(B)/Y 2O 2S:Eu 3+,Bi 3+(R)3. (Ga,Al)N chip (370 nm )Ca 8Mg(SiO 4)4Cl 2:Eu 2+,Mn 2+(G)/Y 2O 3:Eu 3+, Bi 3+(R)Ca 5(PO 4)3Cl:Eu 2+(B)or BaMg 2Al 16O 27:Eu 2+(B)4. (Ga,In)N chip (460 nm,Blue) SrGa 2O 4:Eu 2+(G)/CaS:Eu(R)5. LED (ultraviolet)ZnS:Ag,Ga/ CaS:Mn,Ce6. Laser or laser diode (460-470 nm) SrS:Ce,K,Eu (white)YBO 3:Ce,Tb(G)/SrS:Eu (R)7. Laser or Laser diode (265 nm)Ca 2SnO 4:Eu , Tb , Ce (白光(0.29, 0.28))8. LED (390 nm)Sr 5(PO 4)3Cl:Eu 2+(B)Y 2O 2S:Eu 3+(R)________________________________________________________________交通大學螢光體實驗室Phosphors LaboratoryNational Chiao Tung University。

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磷化氢的空间结构

磷化氢的空间结构

磷化氢的空间结构磷化氢是一种重要的无机化合物，具有广泛的应用领域。

它的空间结构是决定其性质和应用的关键因素之一。

本文将从分子结构、晶体结构、电子结构等方面介绍磷化氢的空间结构。

一、分子结构磷化氢的化学式为PH3，分子量为34.01。

它是一种无色、有刺激性气味的气体，在常温下不稳定，易于分解。

磷化氢分子的空间结构是由磷原子和三个氢原子构成的三角锥形分子。

磷原子位于分子中心，三个氢原子分别位于磷原子的三个顶点，形成一个等边三角形。

这种空间结构使得磷化氢分子具有极性，磷原子带正电荷，三个氢原子带负电荷，因此它具有一定的化学反应性。

二、晶体结构磷化氢的晶体结构是由磷化氢分子的空间结构组成的。

磷化氢的晶体结构是六方密堆积结构，其中磷原子位于六方密堆积的空隙中心，而氢原子则位于六方密堆积的六个顶点上。

磷化氢的晶体结构具有高度的对称性，空间群为P63/mmc，属于六方晶系。

晶体结构的稳定性和机械性能与其晶体结构密切相关，磷化氢的六方密堆积结构使得其具有优异的稳定性和机械性能。

三、电子结构磷化氢分子的空间结构决定了其分子轨道的形态和能量级别。

磷化氢分子的分子轨道包括成键轨道和反键轨道。

成键轨道主要是由磷原子的3s轨道和氢原子的1s轨道杂化形成的sp3杂化轨道，反键轨道则是由磷原子的3p轨道和氢原子的1s轨道组成的。

磷化氢分子的成键轨道和反键轨道之间存在能量差异，成键轨道的能量比反键轨道的能量低，因此成键轨道中的电子更稳定。

这种能量差异决定了磷化氢分子的化学反应性和光学性质。

四、应用磷化氢具有广泛的应用领域，主要包括半导体、太阳能电池、荧光材料等。

磷化氢是一种优异的半导体材料，具有高电子迁移率、高热导率、高稳定性等特点，被广泛应用于集成电路、激光器、LED等领域。

磷化氢也是一种重要的太阳能电池材料，其高效率、长寿命、低成本等特点使得其成为太阳能电池材料的热门选择之一。

此外，磷化氢还是一种优异的荧光材料，可以用于制备高亮度的荧光体，具有广泛的应用前景。

纳米氧化锌介绍与应用

纳米氧化锌介绍与应用

纳米氧化锌介绍与应用纳米氧化锌(ZnO)粒径介于1-100 nm之间，是一种面向21世纪的新型高功能精细无机产品，表现出许多特殊的性质，如非迁移性、荧光性、压电性、吸收和散射紫外线能力等，利用其在光、电、磁、敏感等方面的奇妙性能，可制造气体传感器、荧光体、变阻器、紫外线遮蔽材料、图像记录材料、压电材料、压敏电阻、高效催化剂、磁性材料和塑料薄膜等。

概述中文名：纳米氧化锌英文名：Zinc oxide，nanometer 别名：纳米锌白；Zinc White nanometer CAS RN.：1314-13-2 分子式：ZnO 分子量：81.37形态纳米氧化锌是一种多功能性的新型无机材料，其颗粒大小约在1～100纳米。

由于晶粒的细微化，其表面电子结构和晶体结构发生变化，产生了宏观物体所不具有的表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应以及高透明度、高分散性等特点。

近年来发现它在催化、光学、磁学、力学等方面展现出许多特殊功能，使其在陶瓷、化工、电子、光学、生物、医药等许多领域有重要的应用价值，具有普通氧化锌所无法比较的特殊性和用途。

纳米氧化锌在纺织领域可用于紫外光遮蔽材料、抗菌剂、荧光材料、光催化材料等。

由于纳米氧化锌一系列的优异性和十分诱人的应用前景，因此研发纳米氧化锌已成为许多科技人员关注的焦点。

纳米氧化锌金属氧化物粉末如氧化锌、二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝及氧化镁等，将这些粉末制成纳米级时，由于微粒之尺寸与光波相当或更小时，由于尺寸效应导致使导带及价带的间隔增加，故光吸收显著增强。

各种粉末对光线的遮蔽及反射效率有不同的差异。

以氧化锌及二氧化钛比较时，波长小于350纳米（UVB）时，两者遮蔽效率相近，但是在350～400nm（UVA）时，氧化锌的遮蔽效率明显高于二氧化钛。

同时氧化锌（n=1.9）的折射率小于二氧化钛（n=2.6），对光的漫反射率较低，使得纤维透明度较高且利于纺织品染整。

纳米氧化锌还可用来制造远红外线反射纤维的材料，俗称远红外陶瓷粉。

无机功能材料-长余辉发光材料

无机功能材料-长余辉发光材料


图解：
注： S为发光体贮存的光能 t 为时间
2.1 热释光
低温下激发 荧光完全消失后，慢慢地升高温度 影响因素：陷阱的个数、陷阱的深度
2.2 光致释光与光致猝灭
含有深陷阱杂质的荧光粉激发后，再用红 外或红光照射，会出现： 发光强度增强——光释发光
（Photostimulation） 发光强度减弱——光致猝灭
5.6其它方法
除上述几种方法外, 还有化生产中具有不可替代 的地位。
6、对长余辉发光材料的个人看法
长余辉发光材料是光致发光材料中的一个重要分支,长余 辉发光材料在人类生活中起着不可或缺的作用，不管是生 活用品、建筑用品对长余辉发光材料都非常“器重”。 经过我查阅过的文献，始终不能给长余辉发光材料的发光 原理给出一个一致而且明确的定义，可想而知，长余辉发 光材料还有很长一段研究旅程。 而自九十年代发现该材料开始，人们一直很看重该材料的 研究，无论是对该材料的原理研究、还是制备、改进等等， 很多研究都取得非凡的进步，我相信，在未来，长余辉发 光材料将继续被改进，继续在人类生活中发光发热。 但毕竟长余辉发光材料里含有不少放射性物质，我相信， 对人体和环境都造成一定的危害，希望化学家们在改进性 能的同时能照顾环境，使新型化学用品能够真正造福人群。
余辉性能提高到CaS：Eu 的六倍以上水平, 而且化学稳定性好, 长时间不分解, 是长余 辉行业的又一进步( 分别标记为RO、REO, 发射光谱峰值分别为630nm 和626nm)
5、长余辉发光材料的制备
5.1 高温固相合成法 5.2溶胶-凝胶( So-l gel) 法 5.3水热合成法 5.4燃烧法 5.5共沉淀法 ……
发光原理
定义：在阳光和紫外线照射停止后仍能发 光，并具有较长余辉时间的材料。
无机化学及其在新型材料中的应用

无机化学及其在新型材料中的应用

无机化学及其在新型材料中的应用无机化学是化学的一个重要分支，研究无机物质的性质、结构、制备、变化和应用。

众所周知，无机物具有许多独特的性质，在各个领域有着广泛的应用。

尤其是在材料科学领域，无机化学功不可没，无机化合物在新型材料中的应用越来越广泛。

一、纳米材料中的无机化学应用纳米材料具有很多出色的物理和化学性质，例如高比表面积、强烈的荧光效应、独特的磁性和电学性能等等。

这些性质的实现和利用，与有机和无机化学的共同作用密不可分。

利用无机化学原理和方法，可以合成出具有独特性质的无机纳米材料。

例如，ZnO纳米粒子具有优异的荧光性能和高稳定性，在荧光探针、催化剂等领域有着广泛的应用前景。

二、磁性功能材料中的无机化学应用磁性功能材料是指具有磁性的材料，它们的磁性性质对于许多领域都有着极为重要的应用，如磁记录、磁成像、磁治疗等。

利用无机化学的原理和方法，可以制备出一系列磁性功能材料。

例如，Fe3O4磁性纳米颗粒可以在生物医学等领域中应用，用于诊断和治疗。

另外，稀土磁性材料也具有广泛的应用前景，在电子、信息、医疗和环保等领域发挥着重要作用，例如，在高性能电机中的应用。

三、光电功能材料中的无机化学应用光电功能材料是指对光电信号具有优异响应性能的材料。

无机化学是制备光电功能材料的重要方法，其基本原理是利用材料的光电性质，通过控制材料的结构、组成等因素，合成出符合要求的光电功能材料。

例如，TiO2和CdS等材料性质稳定、可控性好，具有优异的光电性能，广泛应用于太阳能电池、高效光催化、发光二极管等领域。

四、新型能源材料中的无机化学应用新型能源材料是指利用可再生能源或多种能源有效转换的材料。

无机化学的研究可实现新能源材料的设计制备。

例如，钠离子电池正极材料硫化钼，针对其低电导性和极化问题进行优化，使得其在能量密度、可循环性等方面均有所提升，成为一种有着良好应用前景的材料。

总之，无机化学在新型材料中的应用不可小觑。

对于材料科学而言，无机化学是其重要组成部分，随着无机化学研究的深入和技术的不断进步，将会有更多的新型材料涌现出来，为各个领域提供更好的解决方案和应用。