Методическая статья

Низкоэнергетическая Катодолюминесценция для (OXY), нитрид люминофоров

12.9K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/54249

⸱

15 ноября 2016 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Graduate School of Pure and Applied Science, University of Tsukuba, 2CNRS — Saint-Gobain, UMI 3629, Laboratory for Innovative Key Materials and Structures (LINK), 3Nano Device Characterization Group, National Institute for Materials Science (NIMS), 4Sialon Unit, National Institute for Materials Science (NIMS)

В этой статье

Краткое содержание

Высокой химической и люминесценции стабиль- ность (окси) нитрид люминофоров представить его в качестве перспективной альтернативой используемым в настоящее время сульфидные и оксидные люминофоры. В этой статье мы представляем способ исследовать его локальные свойства люминесценции с использованием низкоэнергетического катодолюминесценции (CL).

Аннотация

Нитрид и Оксинитрид (Сиалон) люминофоры являются хорошими кандидатами для ультрафиолетовой и видимой применений излучения. Высокая производительность, хорошая стабильность и гибкость их эмиссионные свойства могут быть достигнуты путем регулирования их состава и легирующих примесей. Тем не менее, большая работа по-прежнему требуется для улучшения их свойств и снижения себестоимости продукции. Возможный подход соотносить свойства люминесценции частиц Сиалон с их местной структурной и химической среды с целью оптимизации их параметров роста и найти новые люминофоры. Для этой цели, катодолюминесценции низковольтный (ХЛ) микроскопия является мощным средством. Использование электрона в качестве источника возбуждения позволяет обнаруживать большинство центров люминесценции, выявляя их распределение люминесценции в пространстве и по глубине, непосредственно сравнивая результаты CL с другими методами электронно-на основе, и исследования устойчивости их свойств люминесценции под стССГ. Такие преимущества для люминофоров характеристики будут выделены через примеры исследования на нескольких люминофоров Сиалон низкоэнергетическими CL.

Введение

В последнее время все больше и больше внимания уделяется вопросам охраны окружающей среды, в частности производства и потребления энергии. Чтобы ответить на эти потребности общества, производства энергии должно быть "зеленее", что означает, что снижает потребление энергии из традиционных источников или разработке новых экологически чистых материалов. Светодиоды (LED) и дисплеи полевой эмиссии (федералы) получили значительное внимание из - за их компактности, улучшенной производительностью и низким энергопотреблением по сравнению с фактическими дисплеев, таких как ртуть , газоразрядной освещении лампами дневного света или плазменных дисплеев 1-5. Ключевым фактором для источника света СИД и FED является высокоэффективное люминофора. Легированной редкоземельным элементом люминофор являются неорганические материалы, состоящие из основной решетки и редкоземельных легирующих, которое может излучать свет при возбуждении фотонами (ультрафиолет (УФ), синий свет), то электроны (электронно-лучевым) или электрического поля. Требования, предъявляемые к высокопроизводительными люминофоров являются: 1) высокая Converкоэффициент полезного действия Sion с различными источниками возбуждения; 2) хорошая стабильность с низкой тепловой закалки; 3) высокая чистота цвета с полной цветовой воспроизводимости. Однако лишь очень ограниченное число люминофоров в настоящее время может удовлетворять следующим минимальным требованиям. В настоящее время используется на основе оксида люминофоры имеют низкое поглощение в видимой области спектра, спектра, в то время как на основе сульфида имеют низкие химические и термостабильности. Более того, они показывают, деградации под электронами или окружающей атмосферы, что ограничивает срок службы устройства. Так как их чистота цвета и эффективность ограничены, это делает их трудно использовать для реализации высокого Индекс цветопередачи (CRI) люминесцентными устройств. Следовательно, освоение новых люминофоров требуется.

Легированной редкоземельным нитрид и Оксинитрид (Сиалон) люминофоры считаются хорошими кандидатами с выдающим термической и химической стабильностью, основанной на их устойчивых структур химической связи. Сдвиг Стокса становится меньше в сильном Лос-Анджелесеttice и это приводит к высокой эффективности преобразования и небольшой термической закалке люминофоров 6-9. В общем, люминесценции двухвалентных редкоземельных ионов, таких как Eu 2+ или Yb 2+ и Ce 3+ объясняется 5d-4f электронными переходами, и состоит из широкой полосы с положением пика с изменением основной решетки из - за сильного взаимодействия между 5d-орбиталей и кристаллическим полем. Благодаря своим свойствам, длина волны перестраиваемого люминесценции получается путем изменения химической природы редкоземельных ионов и их концентрации в принимающей решетке (рис. 1). Таким образом, Сиалон люминофоры могут быть использованы для реализации высоким коэффициентом цветопередачи белых LED с использованием сине-зелено-красной системы и приложений фосфором в УФ-ДАЭ.

Хотя Сиалон люминофоры являются перспективными материалами, много работы, таких как поиск новых структур и снижения себестоимости производств по-прежнему необходимы. Кроме того, в связи с трудностями с точки зрения оптимизации грехаусловия сеяния, Сиалон люминофоры часто содержат вторичные фазы 18-20. Исследование таких локализованных структур важно для понимания механизма спекания и оптимизации условий спекания, и поэтому для улучшения оптических свойств Сиалон люминофоров. Эти цели могут быть достигнуты с помощью низкоэнергетического катодолюминесцен- техники (CL).

CL представляет собой явление, при котором электроны облучающие на люминесцентного материала, вызывает излучение фотонов. В отличие от фотолюминесценции (PL), которая индуцируется фотонного возбуждения, область возбуждения, как правило, в порядке миллиметр и селективных возбуждений усилить определенные процессы эмиссии, будоражит электронно-лучевые в нанометровом масштабе и активизирует все механизмы люминесценции, присутствующие в материале , что может позволить обнаружение различных фаз с различными свойствами люминесценции 10-12. Кроме того, падающие электроны могут генерировать не только сигнал CLно и различные сигналы, такие как отражение электронов, оже или рентгена, которые предоставляют различную информацию о материалах. Таким образом, структурные, химические или электрические свойства также могут быть получены. Сочетание этих методов с результатами CL в лучшего понимания происхождения локализованных структур Сиалон люминофоров 14-20.

CL исследования могут быть выполнены с помощью различных типов электронно-лучевых источников 13. В настоящее время, с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM), является наиболее распространенной системой для выполнения измерений CL. В дальнейшем мы будем обсуждать в основном эту систему. Как видно на рис. 2, измерения CL выполняются с использованием источника электронов (SEM), световой коллектор (оптическое волокно и монохроматора) и системы обнаружения. Система обнаружения состоит из зарядовой связью (CCD) и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), которые в режиме параллельного обнаружения и режим последовательного обнаружения, соответственно.В общем, собранный свет от образца регулируется щелью, а затем диспергируют монохроматора решетки. Когда собранный свет образца диспергируют на (параллельный режим обнаружения) ПЗС, каждая длина волны излучения одновременно обнаруживается. При конкретной длины волны света дисперсной выбирается (режим последовательного обнаружения) щелевой, его интенсивность регистрируется ФЭУ с образованием монохроматических изображений.

В этой статье мы в основном выделить использование низкой энергии CL для характеристики люминофоров Сиалон, представительно, Si-легированного AlN 14, 22, Са-легированного (La, Ce) Al (Si 6-г Al г) ( N 10-г O г) (г ~ 1) (ДСР) 15, отношение Si / Eu легированного AlN , 16, 17 и Ce , легированного La 5 Si 3 O 12 N материалов. Поперечного сечения методом полировки с использованием пучка ионов аргона (метод CP) представляет собой полезный метод для наблюдения слоистых структур, благодаря своей широкой шлифовальной области с меньшим количеством повреждения поверхности. Этобыло проведено для исследования локальной структуры люминофоров. Соотношение CL с другими методами электронно-на основе и исследования устойчивости люминесценции будет также показано на рисунке.

Протокол

1. Образцы

  1. синтез Фосфор
    1. Дизайн продукта, определить исходные материалы и их веса на основе ожидаемых химических реакций. Именно вес сырых исходных порошков 14-20.
    2. Измельчите и смешайте их в агатовой ступке вручную. В зависимости от качества исходных порошков, смешивают в течение 15-30 мин, чтобы получить смесь как можно более однородным. Упаковать порошковую смесь в тигле из нитрида бора.
      Примечание: Выполнить шаги 1.1.1-1.1.2 в перчаточной камере в атмосфере инертного газа, с очень низкой концентрацией кислорода в качестве конечного продукта или исходным порошковым нестабильны в воздухе.
    3. Огонь порошковой смеси в агломерационной печи газа под давлением с графитовым нагревателем. Тепло образцов при постоянной скорости нагрева. Введем в камеру заранее определенного газообразного азота (99,999% чистоты), и одновременно повышать до температуры до требуемой величины.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Держите те же условия для продолжительности Sinte кольцо. Температура и длительность нагрева различаются в зависимости от материалов 14-20.
    4. После обжига, отключить питание, и пусть образцы остыть внутри печи. Измельчите не хорошо спеченных порошков в агатовой ступке вручную до получения мелких частиц.
  2. Поперечное сечение
    1. Смешайте 150 мг люминофоров с 300 мг смолы и 30 мг отвердителем. Налить в силиконовые формы и выпекать при температуре 60 ° С в течение 30 мин в вакууме для испарения кислорода из смеси.
    2. Введены в силиконовум форму и выпекали снова при температуре 100 ° С в течение 60 мин на воздухе, чтобы изготовить порошкообразную встроенную микросхему. Во время нагревания, большинство из порошков оседают на дне из-за высокой плотности материала.
    3. Отполировать грань нижней стороне чипа с помощью удобного нахлеста и Ар-ионным поперечное сечение полировальной для получения зеркальной поверхности. Чем выше количество спрессованных порошков позволяет лучше наблюдать внутреннюю структуру порошков.
jove_title "> 2. Катодолюминесценция

  1. Образец и настройка подготовки
    Примечание: В качестве CL представляет собой метод бесконтактный, не существует каких-либо особых требований к самим измерения. Препарат будет зависеть от целей измерений. Таким образом, для количественных измерений, может быть предпочтительным, чтобы поместить большое количество порошков на углеродную ленту, или сделал фильм. Для получения качественных измерений, исследование изолированных частиц может быть предпочтительнее, помещая небольшое количество порошка на углеродную ленту, или диспергированием порошок в этаноле и immerging один обычный медный микро сетку для ТЭМ в растворе.
    1. Высоту стадии образца для выравнивания верхней части образца с опорной ступени (12 мм).
    2. Вставьте этап образца в камеру. Вставьте эллипсоидальной зеркало между электронной пушкой и образцов. Убедитесь, что образцы не касаются эллипсоида зеркала, чтобы предотвратить загрязнение зеркала или разорвать его.
    3. Заполните прохладныйИНГ резервуар детекторов с жидким N 2. Включите детектор. Подождите, пока датчики температуры конюшен, чтобы начать CL измерения. Идеальная температура для измерения составляет 110 К. Примечание: Температура может быть проверена на программном обеспечении.
  2. CL измерения
    Примечание: условия электронного пучка, в частности, энергия пучка электронов и ток пучка, выбираются. Эти условия должны быть выбраны в зависимости от ожидаемой интенсивности люминесценции образцов, наблюдаемого заряда, деградации люминесценции и интересов в анализе глубины.
    1. Поместите электронного луча, где вы хотите взять SEM и / или CL спектра. Сфокусируйтесь на изображении, чтобы выявить определенную форму и правильный астигматизм, чтобы получить ясное и четкое изображение. Отрегулируйте высоту ступени и рабочее расстояние. Исправьте астигматизма с помощью х, у стигматоры на увеличенное изображение. Запустите программу для приобретения CL.
    2. Оптимизация положения зеркала ивысота образца, чтобы получить самую сильную интенсивность для спектров CL. Чтобы выполнить это, нажмите на кнопку "измерения в реальном масштабе времени" и выберите "Режим непрерывной съемки" на программном обеспечении. Установите зеркало в монохроматора как "передняя сторона", чтобы отправить испускаемый свет на ПЗС и принять спектры быстро CL. Медленно изменить положение зеркала и высоту образца, сохраняя при этом изображение SE целенаправленным и повышения интенсивности ХЛ.
    3. Для CL спектров большой площади, нажмите на иконку "в режиме реального времени измерения" и выберите режим "один выстрел" на программное обеспечение. Настройка системы обнаружения света для того, чтобы отправить испускаемый свет на ПЗС. В зависимости от образца, выберите решетки, ширина щели и измерения времени сбора для того, чтобы получить наиболее подходящую интенсивность / спектральное разрешение.
    4. Для CL монохроматического изображения, нажмите на значок "измерения изображения" и выберите "детектор PMT" на программном обеспечении. Установите зеркало в монохроматора аs "задняя сторона", чтобы отправить испускаемый свет на детектор PMT, и вставьте щель. В зависимости от образца, выберите разрешение, увеличение, желательную длину волны и времени сбора. Замораживание изображение и отправить его в программное обеспечение.
    5. Для локального анализа CL, возьмите SE или CL изображение в первую очередь. Нажмите на иконку "измерения", выберите позицию принимать спектры на изображении. Настройка системы обнаружения света для того, чтобы отправить испускаемый свет на ПЗС, а затем взять CL спектров.
    6. Для временной эволюции CL, нажмите на значок "измерения зависимости от времени" и выберите "CCD" на программное обеспечение. Настройка системы обнаружения света для того, чтобы отправить испускаемый свет на детектор CCD. В зависимости от программного обеспечения, выберите число спектров и время между 2-х измерений, например 360 спектров каждые 10 сек.

Результаты

Свечение распространяется не только в поперечном направлении, но и в глубину. Такое распределение ядро-поверхность с наблюдаемой ХЛ путем изменения энергии электронов, так как она изменяет глубину проникновения падающих электронов 21. Тем не менее, глубина проникновения изменяется для каждого материала и соответствие между энергией электронов и глубиной проникновения не является линейным, и может ввести некоторые дополнительные эффекты, такие как реабсорбции более высокой энергии фотона из более глубоких областей самим материалом. Таким образом, может быть предпочтительным, чтобы непосредственно наблюдать распределение ядро-поверхность через наблюдение поперечного сечения. В случае порошки люминофоров, такое наблюдение может быть достигнуто путем улавливания частиц в смоле и полировать из порошка композита смолы путем поперечного сечения шлифовальщиком, например. Поскольку частицы распределены случайным образом в смоле, направление резания не контролируется. Тем не менее, высокое количество частиц аllows резки достаточное количество частиц, чтобы сделать такой анализ действителен.

Чтобы проиллюстрировать это, мы исследовали распределение люминесценции Si-легированного порошка AlN. На рисунке 5а представлены спектры КЛ AlN порошков , легированных 0,0% и 1,6% Si. Испускание нелегированного AlN состоит из 2-х полос на 350 и 380 нм, в то время как AlN, легированный 1,6% полосы при 350 нм с чистой плечо при 280 нм. 350 и 380 нм полосы приписываются Al-кислородных вакансий комплексов (O N -V Al), в то время как плечо при 280 нм с O-очищенными AlN , пострадавших от Si с образованием SiO пар 22. На рисунке 5б и 5в показывают CL Снимки, сделанные при 280 нм по спеченных и кросс-секционного AlN порошков, легированных 1,6% Si, соответственно. 280 нм излучение неоднородно вдоль частиц из CL образа в качестве спеченного образца, более яркие участки кажутся по краям номиналастицы, но морфологию частиц и их распределение может сделать такие наблюдения не столь очевидны. Тем не менее, из CL изображение поперечного-секционного образца, по-видимому ясно, что излучение 280 нм в основном локализуется на поверхности частиц, предполагая, что частицы AlN фактически покрыты путем очистки с Si-плодородного слоя и поверхности может продолжаться.

Локальные изменения состава в Сиалон люминофоров может существенно влиять на свойства люминесценции. Таким образом, та же редкоземельных ионов в различных хозяевах-решеток или в разных местах могут давать различные выбросы 15,18-20. Но, к сожалению, локальные различия в ходе спекания, такие как распределение температуры или сырье пропорции, или при частичном окислении на поверхности частиц, как ожидается, что приводит к изменению состава вдоль частиц и / или в сосуществование нескольких фаз. Такие эффекты не могут быть динепосредственно наблюдаемой со структурными и химическими методами определения характеристик. Таким образом, важно исследовать локальные свойства свечения люминофора. С точным контролем размера и положения электронного пучка в СЭМ, можно не только приобрести спектр CL из наноразмерной области, но и для получения высокого разрешения CL изображения центров люминесценции.

(La, Ce) Al (Si 6-Z Аль Z) (N 10-г O г) (г ~ 1) (ДСР) представляет собой интенсивный синий люминофор , который подходит для общего освещения. Было обнаружено, что путем замены (La, Ce) Са, красное смещение и уширение пиков CL происходят в соответствии с Ca-легированием. Считалось , что Са влияет на кристаллическое поле расщепление Ce 3+. Тем не менее, это объяснение, основываясь только на спектрах люминесценции, вводит в заблуждение, как показали поперечного сечения локального анализа. 15 На рисунке 6 показан поперечный секнальных SE (CS-SE), комбинированные CS-CL изображения при 300 нм (красный), 430 нм (синий цвет) и 540 нм (зеленый) и локальных спектров КЛ, принятым на 5 кВ для ДСР люминофоров, легированного 0 (а, Ь, с) и 0,69 (д, д, е) в. % Са, соответственно. Должно было отмечено, что эти длины волн были выбраны с целью уменьшения полосы перекрытия в случае, когда существует несколько групп. Для CS-CL изображение Са нелегированный образца, частицы ДСР состоят из множества частиц, агломерированных друг с другом. Люминесценции при 430 нм почти равномерно распределены с некоторой яркой области и некоторые из локализованной области при 300 нм. С другой стороны, границы зерен показывают более темный излучение. Локальный анализ CL показывает, что форма спектра является относительно сопоставимы в любых положениях, со сдвигом полос от 430 до 450 нм и спектральной интенсивности в хорошем согласии с картинками. Для CS-CL образ Ca-легированного, существуют значительные различия между 430 и 540 нм. Субмикронного пятна ярко проявляются ярче при 300 и 540 нм вдоль большой роrtion частиц с пограничных областей темнее зерна, в то время как излучение 430 нм локализован в другой части частиц. По местному анализу, CL спектр, полученный на 430 нм яркая область (пункт 3) состоит полоса при 440 нм, что сравнимо по той, которая наблюдается для Ca-нелегированного образца. Светлые области при 540 нм, внедренные в той же частицы, (точки 1 и 4) показывают полосу при 480-490 нм. Небольшие светлые области при 300 нм (точка 2) и пограничной области темного зерна (точка 5) показывают полоса при 440 нм с плечом при 480 нм, причем иногда на эмиссии при 310 нм. На основании литературных и XRD анализа, мы можем приписать полоса с центром около 430 нм до Ce 3+ в ДСР 22 и что при 480 нм до Ce 3+ в альфа-Сиалон 23. Чем темнее широкая эмиссия возникла в Ce 3+ в бета-Сиалон, и что при 310 нм до Сиалон материал - хозяин. Эти результаты доказывают, что красное смещение и уширение пиков CL в соответствии с Са допингом не могут быть отнесеныдля Са-индуцированных изменений в кристаллическом поле расщепления Ce 3+ , как первоначально предполагалось, но больше сосуществования различных фаз внутри одних и тех же частиц и постепенного превращения бета-Сиалон к альфа-Сиалон с Ca допингом.

Хотя наблюдение различных эмиссионных центров и их распределение возможно с помощью низкоэнергетического CL, оно не может быть достаточно, чтобы полностью понять природу центров люминесценции. В таких случаях необходимо сочетать измерения CL с другими методами. Поскольку падающий электроны могут генерировать и другие сигналы рядом CL, можно непосредственно соотнести излучение света с электрическим, химическим или структурным свойствам, исследуя ту же область с различными методами электронно-лучевых. Таким образом, соотношение CL с высокой разрешающей способностью ТЭМ (ПЭМВР) и EBIC использовался для характеристики дефектов, таких как дислокации или дефектов упаковки. Что касаетсяизменение концентрации / композиции, сочетание CL с ТЕМ, EDS или оже-спектроскопии может привести к лучшему пониманию происхождения люминесценции.

Здесь мы проиллюстрируем этот аспект, исследуя излучение Si-легированного порошка AlN. На рисунке 7 показаны изображения CS-CL и CS-СЭД (а, б) и локальные спектры (в, г) из AlN частиц , легированного 4,0% Si легирование. CS-CL изображение было получено при 350 нм, в то время как CS-СЭД изображение состоит из суперпозиции Si и Al распределения. CS-CL изображение показывает темную удлиненную конструкцию в центре частиц. Локальные спектры CL, принятые в светлой области состоят из сильного пика при 350 нм с плеч на 280, 380 и 460 нм. Тем не менее, существуют четкие изменения в соотношениях между этими разными группами с позицией. Области, показывающие более яркое излучение на длинах волн 350 нм (точка 1) показывает более высокую эмиссию 280 нм и менее эмиссии 460 нм по сравнению с майн полоса при 350 нм, в то время как более темный удлиненного патч (точка 2) показывает меньшую эмиссию 280 нм и более высокой эмиссии 460 нм по сравнению с основной полосы при 350 нм. 460 нм происходит от Si-размещения дефектов в AlN 24. СЭД изображения и локальные спектры показывают, что более темный удлиненную область показывают меньшую Al и Si более высокого состава по сравнению с остальными частицами. По сравнению с результатами , полученными на рисунке 5, можно предположить , что за счет увеличения количества Si в AlN, вторичная реакция протекает между Si и AlN, который индуцирует образование фаз Сиалон.

Двумя важными параметрами для материала, используемого в устройствах являются материалы высокая производительность и стабильность в условиях стресса. Действительно, деградация свойств материала в условиях стресса уменьшит срок его службы, которая не является промышленно жизнеспособным. Таким образом, для электронно-лучевого стимулированных устройств, таких, как электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) и ДАЭ, то пecessary развивать электронно-лучевого облучения устойчивые люминофоров и / или понять электронно-лучевого индуцированные механизмы для того, чтобы предотвратить или уменьшить такие эффекты. Деградация люминесценции может происходить через различные механизмы, такие адсорбции / десорбции или зарядки на поверхности, создание или активации дефектов и т.д. 25-27. Хотя эти вариации интенсивности усложнит количественный анализ результатов Сl, они могут быть использованы для исследования жизни оптико-электронных приборов.

Чтобы проиллюстрировать это, мы имеем спектры CL и эволюций двух синих люминофоров, Ce , легированного La 5 Si 3 O 12 N и Si / Eu-легированного AlN. На рисунке 8а показаны спектры CL для Ce-легированного La 5 Si 3 O 12 N и Si / Eu-легированного AlN через 20 сек облучения при 5 кВ. Оба образца демонстрируют интенсивное синее излучение: положение полосы и интенсивности для Ce-легированного La <к югу> 5 Si 3 O 12 N 456 нм и 3270 сП, соответственно, в то время как для Si / Eu-codoped AlN являются 466 нм и 3,100 сП. Априори, основное различие между этими 2 выборок широты излучения, так как эмиссия для Ce , легированного La 5 Si 3 O 12 N больше из - за сосуществования нескольких полос. Таким образом, представляется, что оба материала пригодны в качестве синих люминофоров для ДАЭ, и что мы должны рассмотреть критерии как стоимость изготовления, совместимость с другими люминофоров или стабильность люминесцентных свойств при электронно-лучевой облучения, чтобы определить наиболее подходящий. Рисунок 8b показывает эволюций интенсивности КЛ от Ce-легированного La 5 Si 3 O 12 N и Si / Eu-легированного AlN при электронно-лучевой облучения при 5 кВ. Для Ce-легированного La 5 Si 3 O 12 N, интенсивность уменьшается от 3270 до 450 гц в течение 5 мин и до 95 гц в 60 мин. А именно, при 3,600 секоблучения 5-кВ, интенсивность уменьшается более чем на 95% от начальной интенсивности. Для Si / Eu-легированного AlN, интенсивность уменьшается до 3,100 2500 сПз в 60 мин, а именно: снижение на 20% от этой начальной интенсивности. Эти результаты ясно показывают , что Si / Eu-легированного AlN гораздо лучше , чем кандидат Ce-легированного La 5 Si 3 O 12 N связано с его более высокой стабильностью.

figure-results-1
Рисунок 1: Люминесценция редкоземельных легированных Сиалон люминофоров Изображения различных люминофоров при видимом (а) и ультрафиолетовом (б) света.. (С) Нормализованная CL спектры Eu 2+ в различных решетках хозяевах. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

страница = "1"> figure-results-2
Рисунок 2: Настройка CL (а) Фотография РЭМ с CL системы, с врезке фотографи эллипсоидальной зеркало.. (Б) Схематическое изображение системы обнаружения света. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-3
Рисунок 3: Приготовление Сиалон люминофоров (а) Определение Исходным порошков, вес и спекание условиях;. (Б) Смешивание исходных порошков; (С) Спекание порошковой смеси; (D) спеченные порошки до и после дробления.целевых = "_blank"> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-4
Рисунок 4:. Подготовка Поперечное сечение (а) смешивание порошков со смолой и отвердителем, и выпаривание воздуха в смеси. (Б) Заливка в форму кремния и отопления. (С) Полировка чипов с удобным нахлеста и Ar-ионным поперечным сечением шлифовальщиком. (D) Измерение поперечного сечения полированную области. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-5
Рис . 5: Распределение ядро-оболочка в легированной кремнием AlN (а) CL-спектры AlN порошков, легированных 1,6% Si на 5 кВ. (Ь - с) CL снимки , сделанные при 5 кВ и 280 нм для ас-спеченные (б) и кросс-секционного (с) AlN порошки , легированные 1,6% Si, соответственно. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть большую версию этой фигуры ,

figure-results-6
Рис . 6: Локальный анализ Са-легированного JEM люминофора CS-SE, комбинированные изображения CS-CL при 300 нм (красный), 430 нм (синий) и 540 нм (зеленый) и локальных спектров КЛ принято на 5 кВ для ДСР люминофоров легированный 0 (а, б, в) и 0,69 (д, д, е) в. % Са, соответственно.ig6large.jpg "целевых =" _blank "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-7
Рисунок 7:.. CL и СЭД Сравнение Si-легированного AlN CS-CL и CS-СЭД изображений (а, с) и локальных спектров (б, г) из AlN частиц , легированных 4,0% Si легирующей Пожалуйста , нажмите здесь для просмотра большая версия этой фигуры.

figure-results-8
Рис . 8: люминесценция стабильность двух синих люминофоров (а) CL спектры Ce , легированного La 5 Si 3 O 12 N и Si / Eu-легированного AlN через 20 сек облучения в 5 кВ. (б ) Эволюции интенсивности ХЛ Ce-легированного La 5 Si 3 O 12 N и Si / Eu-легированного AlN при электронно-лучевой облучения в 5 кВ. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Обсуждение

С помощью этих репрезентативных примеров низкоэнергетической CL характеризации на Сиалон люминофоров, мы показали, как мощный и быстрый метод исследования люминофоров может быть. Путем измерения локального измерения CL и картография, пользуясь гибкостью при подготовке проб и комбинирования CL с другими методами, мы можем приписать более точно происхождение люминесценции, выяснить механизмы роста и определения наиболее подходящих люминофоров для приложений. Эти результаты в основном достижимо за счет улучшения электронных микроскопов и детекторов света, которые увеличивают время сбора измерений, чувствительность и пространственное разрешение.

Оба Сиалон люминофоры и поля CL естественно не ограничивается аспектами, представленными в настоящем документе. В дальнейшем, с тем чтобы расширить дискуссию, мы собираемся обсудить немного больше о них отдельно.

В случае Oе Сиалон люминофоры, с их превосходными люминесцентными и стабильностью свойств, они в настоящее время все больше и больше используется для освещения приложений. Тем не менее, они также показывают очень интересные механические, тепловые, магнитные, сверхпроводимость, электрические, электронные и оптические свойства, которые могут быть настроены путем изменения их состава. Таким образом, они также находятся в широком диапазоне применений , таких как просветляющие покрытия, солнечные поглотители, тепловые зеркала, цветные пигменты, видимого света приводом фотокатализаторах, прозрачные окна и панцирей или флуоресцентных зондов для био-медицинской визуализации 29. Можно ожидать , что они будут играть решающую роль во многих энергетических и экологических аспектов , связанных, например, эффективно собирая солнечную энергию, реализуя водородной экономики, снижение загрязнения окружающей среды, сохранение природных ресурсов и т.д. Однако, много работы по-прежнему необходимо продолжать улучшать свои свойства при одновременном снижении стоимости их производства, такие как decreasing температуру спекания или ограничение использования редкоземельных ионов. Это может быть достигнуто путем нахождения новых Сиалон люминофоры и уточнение роли состава и условий роста на свойства. Мы видели, что CL может играть важную роль для достижения этих целей. Но, в последнее время новые подходы также показали весьма обнадеживающие возможности. Два из этих подходов по времени пролета вторичной ионной масс-спектрометрии (TOF-SIMS) и одночастичное диагноз. TOF-SIMS способен пространственно решить весь спектр масс с высокой чувствительностью, что позволяет не только обнаружение видов на след уровне , но и различия в степени окисления 31. Диагноз одночастичное заключается в обработке индивидуального люминесцентного частицы в сложной смеси в виде крошечного монокристалла, и исследовать оптические и структурные свойства с помощью сверхвысокого разрешения монокристаллического рентгеновской дифракции и флуоресценции одночастичном 31.

Что касается CL характеристик низкоэнергетического, в данной работе, мы в основном сосредоточены на использовании CL для Сиалон люминофоров, в то время как CL также могут быть использованы для других материалов, таких как полупроводники, наноструктуры, органических материалов, и керамика. С другой стороны, хотя и CL является бесценным метод для качественной характеристики оптоэлектронных материалов, оно также вызывает некоторые меры предосторожности для количественных измерений. Действительно, результаты CL зависят не только от условий возбуждения, тока пучка и энергии электронов, но и от количества исследуемых материалов 25. Таким образом, небольшое изменение этих параметров может существенно изменить интенсивность CL. Кроме того, электронно-лучевое облучение может увеличить возможность повреждения образцов. Это может вызвать резкое изменение интенсивности, или побудить создание / активацию новых центров люминесценции, которые могут повлиять на достоверность количественных измерений CL. Развитие CL в материалах тяracterization был и будет в значительной степени связаны с улучшением микроскопов электронно-лучевых и детекторов света. Таким образом, теперь можно выполнить ПЭМ. Это позволяет более высокое пространственное разрешение и непосредственное наблюдение за изменением люминесценции в месте наблюдения изменения люминесценции сопровождается изменением микроструктуры , вызванного электронно-лучевой индуцированного смещения атомов, например 32-34. Кроме того, с добавлением подавитель пучка в колонкой , синхронизированный с оптическим детектором, теперь доступен для использования электронного луча в импульсном режиме, что позволяет проводить измерения профиля распада в электронный микроскоп 35. Можно также подумать, что использование импульсного облучения электронным пучком может привести к снижению электронно-лучевой индуцированного повреждения, что позволит улучшить надежность количественных измерений и помочь в характеристике электронно-лучевых чувствительных материалов. Эти 2 примеры иллюстрируют, как CL анализ может улучшить в будущем.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Эта работа была частично поддержана проектом Green Network of Excellence (GRENE) от Министерства образования, культуры, спорта и технологий (MEXT) в Японии. Авторы также выражают благодарность техническим специалистам установки «Сиалон» за помощь в синтезе люминофоров, компании MANA за помощь в измерениях EDS и К. Накагаве за помощь в системе CL.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
SEMHitachiS4300
Трехрешетчатый монохроматорHoriba Jobin-YvonTriax 320
ФотоумножительHamamatsuR943-02
Зарядовое устройство с 2048 каналамиHoriba Jobin-Yvon Spectrum One
Печь для спекания под давлением газа с графитовым нагревателем Fujidempa Kogyo Co. Ltd.FVPHR-R-10, FRET-40
Силиконовая форма LADD21780
Ar-ионная полировальная машина поперечного сеченияJEOLSM-09010
EDSBRUKERXflash6/100
СмолыJEOLЧасть No 780028520

Ссылки

  1. Spindt, C. A., Holland, C. E., Brodie, I., Mooney, J. B., Westerberg, E. R. Field-emitter arrays applied to vacuum fluorescent display. IEEE Trans. Electron Devices. 36 (1), 225-228 (1989).
  2. Holloway, P. H., et al. Advances in field emission displays phosphors. J. Vac. Sci. Technol. B. 17 (2), 758-764 (1999).
  3. Itoh, S., Tanaka, M., Tonegawa, T. Development of field emission displays. J. Vac. Sci. Technol. 22 (3), 1362-1366 (2004).
  4. Schubert, E. F., Kim, J. K., Luo, H., Xi, J. Q. Solid-state lighting - a benevolent technology. Rep. Prog. Phys. 69 (12), 3069-3099 (2006).
  5. McKittrick, J., Shea-Rohwer, L. E. Review: Down Conversion Materials for Solid-State Lighting. J. Am. Ceram. Soc. 97 (5), 1327-1352 (2014).
  6. Smet, P. F., Parmentier, A. B., Poelman, D. Selecting Conversion Phosphors for White Light-Emitting Diodes. J. Electrochem. Soc. 158 (6), 37-54 (2011).
  7. Xie, R. J., Hirosaki, N., Sakuma, K., Kimura, N. White light-emitting diodes (LEDs) using (oxy)nitride phosphors. J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (14), 144013(2008).
  8. Xie, R. J., Hirosaki, N. Silicon-based oxynitride and nitride phosphors for white LEDs - A review. Sci. Technol. Adv. Mater. 8 (7-8), 588-600 (2013).
  9. George, N. C., Denault, K. A., Seshadri, R. Phosphors for Solid-State White Lighting. Annu. Rev. Mater. Res. 43, 481-501 (2013).
  10. Gustafsson, A., Pistol, M. E., Montelius, L., Samuelson, L. Local probe techniques for luminescence studies of low-dimensional semiconductor structures. J. Appl. Phys. 84 (4), 1715-1775 (1998).
  11. Dierre, B., Yuan, X. L., Sekiguchi, T. Low-energy cathodoluminescence microscopy for the characterization of nanostructures. Sci. Technol. Adv. Mater. 11 (4), 043001(2010).
  12. García de Abajo, F. J. Optical excitations in electron microscopy. Rev. Mod. Phys. 82 (1), 208-275 (2010).
  13. Yacobi, B. G., Holt, D. B. Cathodoluminescence scanning electron-microscopy of semiconductors. J. Appl. Phys. 59 (4), 1-24 (1986).
  14. Cho, Y., et al. Influence of Si on the particle growth of AlN ceramics. Appl. Phys. Express. 7 (11), 115503(2014).
  15. Takahashi, T., et al. Luminescence properties of blue La1-xCexAl(Si6-zAlz)(N10-zOz) (z.~1) oxynitride phosphors and their application in white light-emitting diode. Appl. Phys. Lett. 91 (9), 091923(2007).
  16. Hirosaki, N., et al. Blue-emitting AlN : Eu2+ nitride phosphor for field emission displays. Appl. Phys. Lett. 91 (6), 061101(2007).
  17. Dierre, B., et al. Role of Si in the Luminescence of AlN :Eu,Si Phosphors. J. Am. Ceram. Soc. 92 (6), 1272-1275 (2009).
  18. Dierre, B., Xie, R. J., Hirosaki, N., Sekiguchi, T. Blue emission of Ce3+ in lanthanide silicon oxynitride phosphors. J. Mater. Res. 22 (7), 1933-1941 (2007).
  19. Dierre, B., et al. Luminescence distribution of Yb-doped Ca-alpha-SiAlON phosphors. J. Mater. Res. 23 (6), 1701-1705 (2008).
  20. Dierre, B., et al. Local analysis of Eu2+ emission in CaAlSiN3. Sci. Technol. Adv. Mater. 14 (6), 064201(2013).
  21. Brillson, L. J. Applications of depth-resolved cathodoluminescence spectroscopy. J. Phys. D: Appl. Phys. 45 (18), 183001(2012).
  22. Liu, L., et al. Optical Properties of Blue-Emitting CexSi6-zAlz-xOz+1.5xM8-z-x for White Light-Emitting Diodes. J. Electrochem. Soc. 157 (1), 50-54 (2010).
  23. Xie, R. -J., et al. Photoluminescence of Cerium-Doped a-SiAlON Materials. J. Am. Ceram. Soc. 87 (7), 1368-1370 (2004).
  24. Cho, Y., et al. Defects and luminescence control of AlN ceramic by Si-doping. Scripta Materialia. 110 (1), 109-112 (2016).
  25. Itoh, S., Kimizuka, T., Tonegawa, T. Degradation mechanism for low-voltage cathodoluminescence of sulfide phosphors. J. Electrochem. Soc. 136 (6), 1819-1823 (1989).
  26. Swart, H. C., et al. Review on electron stimulated surface chemical reaction mechanism for phosphor degradation. J. Vac. Sci. Technol. A. 25 (4), 917-921 (2007).
  27. Dierre, B., Yuan, X. L., Ueda, K., Sekiguchi, T. Hydrogen released from bulk ZnO single crystals investigated by time-of-flight electron-stimulated desorption. J. Appl. Phys. 108 (10), 104902(2010).
  28. Dierre, B., Yuan, X. L., Ohashi, N., Sekiguchi, T. Effects of specimen preparation on the cathodoluminescence properties of ZnO nanoparticles. J. Appl. Phys. 103 (8), 083551(2008).
  29. Xie, R. J., Hintzen, H. T. Optical Properties of (Oxy)Nitride Materials: A Review. J. Am. Ceram. Soc. 96 (3), 665-687 (2013).
  30. Swart, H. C., Nagpure, I. M., Ntwaeaborwa, O. M., Fisher, G. L., Terblans, J. J. Identification of Eu oxidation states in a doped Sr5(PO4)3F phosphor by TOF-SIMS imaging. Opt. Express. 20 (15), 17119-17125 (2012).
  31. Hirosaki, N., Takeda, T., Funahashi, S., Xie, R. J. Discovery of New Nitridosilicate Phosphors for Solid State Lighting by the Single-Particle-Diagnosis Approach. Chem. Mater. 26 (14), 4280-4288 (2014).
  32. Lim, S. K., et al. Direct Correlation between Structural and Optical Properties of III-V Nitride Nanowire Heterostructures with Nanoscale Resolution. Nano Lett. 9 (11), 3940-3944 (2009).
  33. Zagonel, L. F., et al. Nanometer Scale Spectral Imaging of Quantum Emitters in Nanowires and its Correlation to Their Atomically Resolved Structure. Nano Lett. 11 (2), 568-573 (2011).
  34. Furamoto, K., et al. Development of Novel Optical Fiber System for Cathodoluminescence Detection in High Voltage Transmission Electron Microscope. Materials Transactions. 54 (5), 854-856 (2013).
  35. Poelman, D., Smet, P. F. Time resolved microscopic cathodoluminescence spectroscopy for phosphor research. Physica B. 439, 35-40 (2014).

Перепечатки и разрешения

Теги

Sialon
Низкоэнергетическая Катодолюминесценция для (OXY), нитрид люминофоров
Свяжитесь с нами
Рекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

Авторские права © 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.