Summary
En utmerket kjemiske og luminescens stabiliteten for (oxy) nitride fosfor presentere det som et lovende alternativ til tiden brukes sulfid og oksid fosfor. I denne artikkelen presenterer vi den måten å undersøke sine lokale luminescens egenskaper ved hjelp av lav-energi katodeluminisens (CL).
Abstract
Nitride og oxynitride (Sialon) fosfor er gode kandidater for den ultrafiolette og synlige utslippstillatelsene. Høy ytelse, god stabilitet og fleksibilitet av deres emisjonsegenskaper kan oppnås ved å kontrollere deres sammensetning og tilsetningsmidler. Det er imidlertid mye arbeid fortsatt nødvendig for å forbedre deres egenskaper og for å redusere produksjonskostnadene. En mulig løsning er å korrelere luminescens egenskapene til SiAlON partiklene med deres lokale strukturelle og kjemiske miljøet for å optimalisere vekstparametre og finne nye fosfor. For et slikt formål, er lavspent katodeluminisens (CL) mikros en kraftfull teknikk. Bruken av elektron som en eksitasjon kilde kan oppdage de fleste av luminescens sentre, avsløre deres luminescens distribusjon romlig og i dybden, direkte sammenligne CL resultater med de andre elektron-baserte teknikker, og undersøke stabiliteten av sine luminescens egenskaper under stress. Slike fordeler for fosfor karakterisering vil bli markert gjennom eksempler på etterforskning på flere Sialon fosfor ved lavenergi CL.
Introduction
Nylig er mer og mer oppmerksomhet viet til miljøspørsmål, spesielt energiproduksjon og forbruk. For å svare på disse samfunnets behov, må energiproduksjon være "grønnere" som betyr å redusere energiforbruket fra tradisjonelle kilder eller utvikle nye miljøvennlige materialer. Lysdioder (LED) og feltet utslipp skjermer (FBI) har fått betydelig oppmerksomhet på grunn av sin kompakthet, forbedret ytelse og lavere strømforbruk sammenlignet med den faktiske skjermer, for eksempel kvikksølv gassutslipp lysstoffrør eller plasmaskjermer 1-5. Den viktigste faktoren for lyskilde LED og FED er en høy-effektiv fosfor. Sjeldne jord dopet fosfor er uorganiske materialer som består av en rekke gitter og sjeldne jorddopingsmidler, som kan avgi lys under eksitasjon av fotoner (ultrafiolett (UV), blått lys), elektroner (elektronstråle) eller elektrisk felt. Kravene til de høye spar fosfor er: 1) høy conversion effektivitet med de forskjellige eksitasjon kilder; 2) god stabilitet med lav termisk bråkjøling; 3) høy fargerenhet med full farge-reproduserbarhet. Men bare et svært begrenset antall fosfor i dag oppfyller disse minimumskravene. Foreløpig brukte oksid-basert fosfor har lav absorpsjon i synlig lys spekteret, mens sulfid-baserte seg har lav kjemiske og termiske stabiliteten. Dessuten, de viser degradering etter elektroner, eller omgivende atmosfære, noe som begrenser enhetens levetid. Siden deres farge renhet og effektivitet er begrenset, det gjør dem vanskelig å bli brukt for realisering av høy fargegjengivelsesindeksen (CRI) luminiserende innretninger. Følgelig er utforskning av nye fosfor er nødvendig.
Sjeldne jord dopet nitride og oxynitride (Sialon) fosfor anses som gode kandidater med fremragende termisk og kjemisk stabilitet basert på deres stabile kjemiske bindinger strukturer. Stokes skift blir mindre i en sterk lattice og det fører til en høy omdannelse virkningsgrad og en liten termisk bråkjøling av fosfor 6-9. Generelt er det luminescens av divalente sjeldne jordioner, slik som Eu 2+ eller Yb 2+, 3+ og Ce tilskrives 5d-4f elektroniske overganger, og består av et bredt bånd med topp-posisjon varierer med vertgitteret på grunn den sterke samspillet mellom 5d orbitaler og det krystall feltet. På grunn av deres egenskaper, er luminescens bølgelengde-avstembar oppnådd ved å endre den kjemiske natur av sjeldne jordioner og deres konsentrasjon i verts gitteret (fig. 1). Dermed kan Sialon fosfor brukes for å realisere høy CRI hvite LED bruker blå-grønn-rød fosfor system og applikasjoner i UV-FBI.
Selv Sialon fosfor er lovende materialer, mye arbeid, slik som å finne nye strukturer og redusere produksjonskostnader er fortsatt nødvendig. Dessuten, på grunn av vanskeligheter når det gjelder optimalisering av sinovervintringsforhold, Sialon fosfor inneholder ofte sekundære faser 18-20. Undersøkelse av slike lokaliserte strukturer er viktig å forstå sintringsmekanismen og optimalisere sintringsbetingelser, og så for å forbedre de optiske egenskapene til SiAlON fosfor. Disse målene kan oppnås ved lav-energi katodeluminisens (CL) teknikk.
CL er et fenomen der elektroner bestråling på et luminescerende materiale føre til utslipp av fotoner. I motsetning til photoluminescence (PL), som induseres ved foton-eksitasjon, er det eksiteringsområde, vanligvis i størrelsesorden millimeter og selektive eksitasjoner forbedre spesielle emisjonsprosesser, elektronstråle excites i nanometerskala, og aktiverer alle luminescens mekanismene som er tilstede i materialet , som kan tillate påvisning av forskjellige faser med forskjellige luminiserende egenskaper 10-12. I tillegg kan de innfallende elektroner generere ikke bare CL signaletmen også ulike signaler, slik som reflekterte elektron, Auger eller X-ray, som gir forskjellig informasjon på materialer. Således kan også oppnås den strukturelle, kjemiske eller elektriske egenskaper. Kombinasjonen av disse teknikkene med CL gir en bedre forståelse av opprinnelsen til de lokaliserte strukturer Sialon fosfor 14-20.
CL undersøkelser kan utføres ved hjelp av forskjellige typer av elektronstrålekilder 13. Nå til dags, scanning elektronmikroskop (SEM) er den mest vanlige systemet for å utføre målinger CL. I det følgende skal vi diskutere i hovedsak dette systemet. Som vist i fig. 2, blir CL målinger utført ved hjelp av en elektronkilde (SEM), en lys samler (optisk fiber og monokromatoren) og et påvisningssystem. Deteksjonssystemet består av en CCD (CCD) og et fotomultiplikatorrør (PMT), som er for parallell-deteksjonsmodus og seriell-deteksjonsmodus, respektivt.Generelt blir den oppsamlede lyset fra prøven reguleres ved å spalte og deretter dispergert ved monokromator rist. Når det oppsamlede lyset fra prøven er dispergert på CCD (parallell-deteksjon modus), blir hvert emisjonsbølgelengden samtidig detekteres. Når en spesifikk bølgelengde av det dispergerte lys blir valgt ved en spalte (seriell-deteksjon modus), blir dens intensitet registreres av PMT å danne monokromatiske bilder.
I denne artikkelen, vi hovedsakelig markere bruk av en lavenergi CL for karakterisering av sialon fosfor, representativt, Si-dopet AlN 14, 22, Ca-dopet (La, Ce) Al (Si 6-z-Al z) ( N 10-z O z) (Z ~ 1) (JEM) 15, Si / Eu-dopet AlN 16, 17 og Ce-dopet La 5 Si 3 O 12 N materialer. Tverrsnitt polering metode under anvendelse av en argon-ion-stråle (CP-metoden) er en nyttig metode for å observere lagdelte strukturer, på grunn av sin større polering område med mindre skade overflaten. Denhar blitt utført en undersøkelse av en lokal struktur av fosfor. Korrelasjonen av CL med andre elektron-baserte teknikker og etterforskningen av luminescens stabilitet vil også bli vist.
Protocol
1. Prøver
- fosfor syntese
- Designe produktet, bestemme utgangsstoffene og deres vekter basert på de forventede kjemiske reaksjoner. Nettopp vekte de rå start pulver 14-20.
- Knuse og blande dem i en agatmorter for hånd. Avhengig av kvaliteten av de rå pulver, bland i 15-30 min for å få en blanding som homogent som mulig. Pakk pulverblandingen inn i en bornitrid digelen.
MERK: Utfør trinn 1.1.1-1.1.2 i en hanskeboks under inert gass, med svært lav oksygenkonsentrasjon som det endelige produktet eller rå pulver er ustabil i luften. - Fyre av pulverblandingen i en gasstrykksintring ovn med en grafittvarmer. Varme opp prøvene ved en konstant oppvarmingshastighet. Innføre i kammeret en forhåndsbestemt nitrogengass (99,999% renhet), og samtidig løfte opp temperaturen til den ønskede verdi.
MERK: Hold de samme betingelsene for varigheten av sinte ringe. Oppvarming temperatur og varighet er forskjellige avhengig av materialene 14-20. - Etter avfyring, slå av strømmen, og la prøvene avkjøles inne i ovnen. Knus godt sintret pulver i en agat mørtel for hånd til å få fine partikler.
- Tverrsnitt
- Bland 150 mg av fosfor med 300 mg harpiks og 30 mg av herder. Hell over i en silikonformen og stek ved 60 ° C i 30 minutter i vakuum for å fordampe oksygen fra blandingen.
- Satt inn i en silikonformen og bakt på nytt ved 100 ° C i 60 minutter i luft for å fremstille et pulver innebygd chip. Under oppvarming, er de fleste av pulver avsatt på bunnen på grunn av høy materialtetthet.
- Polere fasett av undersiden av brikken ved hjelp av praktisk-lap og Ar-ion tverrsnitt poleringsmaskin for å fremstille en speilflate. Høyere mengden av støpte pulvere gir bedre observasjon av den indre struktur av pulvere.
- Prøve og oppsett forberedelse
MERK: Som CL er en kontaktløs teknikk, er det ingen spesielle krav til måling selv. Fremstillingen vil være avhengig av måle mål. Således, for kvantitative målinger, kan det være foretrukket å sette en stor mengde av pulver på karbon bånd, eller laget en film. For kvalitative målinger, kan undersøkelse av isolerte partikler begunstiges ved å sette en liten mengde av pulver på et karbon bånd, eller å dispergere pulveret i etanol og immerging en konvensjonell kobber mikro gitter for TEM i oppløsningen.- Juster høyden av prøven trinnet slik at toppen av prøven med referansetrinnet (12 mm).
- Sett prøven trinnet inn i kammeret. Sett ellipsoidiske speil mellom elektronkanonen og prøvene. Sørg for at prøvene ikke berører ellipsoidiske speilet for å hindre forurensning av speilet eller bryte den.
- Fyll den kjøligeing reservoar av detektorene med flytende N2. Slå på detektoren. Vent til detektorene temperatur stallen for å starte CL målinger. Den ideelle temperaturen for målingen er 110 K. MERK: Temperaturen kan kontrolleres på programvaren.
- CL målinger
MERK: elektronstrålen forhold, særlig elektronstråleenergi og strålestrømmen, blir valgt. Disse forholdene bør velges i funksjon av forventet luminescens intensiteten av prøvene, den observerte lading, den luminescens degradering og interesser i dybdeanalyse.- Plasser elektronstråle der du ønsker å ta SEM og / eller CL spektrum. Fokuser bildet for å få ut det definert form og riktig astigmatisme å få et klart og skarpt bilde. Juster takhøyde og arbeidsavstand. Korriger astigmatisme ved å bruke x, y stigmators på det forstørrede bildet. Start programvaren for CL oppkjøpet.
- Optimal speilet stilling og denPrøven høyde for å få den sterkeste intensitet for CL-spektra. For å utføre den, klikk på "real time måling" og velg "kontinuerlig modus" på programvaren. Sett speilet i monochromator som "forsiden" for å sende spredt lys til CCD og ta raske CL spektra. Sakte endring speilet stilling, og prøven høyde samtidig som SE bildet fokusert og øke CL intensitet.
- For CL spektra av et stort område, klikker du på "real-time måling" ikonet og velg "one-shot modus" på programvaren. Konfigurere lyset deteksjonssystem for å sende det utsendte lys til CCD. Avhengig av prøven, velger gitteret, spaltebredde og måling samling tid for å få den mest passende intensitet / spektral oppløsning.
- For CL monokromatisk bildebehandling, klikk på "bilde måling" ikonet og velg "PMT-detektor" på programvaren. Sett speilet i monochromator ens "baksiden" for å sende spredt lys til PMT detektoren, og sette inn et slit. Avhengig av prøven, velge oppløsning, forstørrelse ønskelig samling bølgelengde og tid. Frys bildet og send det til programvaren.
- For lokal CL analyse, ta SE eller CL bilde først. Klikk på "måling" -ikonet, velg posisjon til å ta spektra på bildet. Konfigurere lyset deteksjonssystem for å sende det utsendte lys til CCD, og deretter ta CL-spektra.
- For CL tidsutviklingen, klikk på "tidsavhengigheten måling" ikonet og velg "CCD" på programvaren. Konfigurere lyset deteksjonssystem for å sende det utsendte lys til CCD-detektor. Avhengig av programvaren, velger antall spektra og tiden mellom 2 målinger, for eksempel 360 spektra hvert 10 sek.
Representative Results
Den luminescens distribueres ikke bare sidelengs, men også i dybden. En slik kjerne-overflaten fordeling er observerbar med CL ved å forandre elektronenergi, ettersom den varierer inntrengningsdybden av de innfallende elektroner 21. Imidlertid varierer inntrengningsdybden for hvert materiale og korrespondansen mellom elektronenergi og inntrengningsdybde er ikke lineær, og kan innføre noen ekstra effekter, for eksempel reabsorpsjon av høyere energi fotoner fra de dypere områder av selve materialet. Således kan det være foretrukket å observere direkte kjerne-overflaten fordeling via tverrsnitt observasjon. I tilfelle av fosfor pulvere, kan en slik observasjon kan oppnås ved å fange partiklene inn i en harpiks og polish pulver-harpiks sammensatt av tverrsnitt poleringsmaskin, f.eks. Siden partiklene er tilfeldig fordelt i harpiksen, er skjæreretningen ikke kontrollerbar. Men den høye mengden av partikler enllows skjære nok partikler for å gjøre en slik analyse er gyldig.
For å illustrere dette punkt, har vi undersøkt luminescens fordeling av Si-dopet AlN pulver. Figur 5a viser CL spektra av AlN pulver dopet med 0,0% og 1,6% Si. Utslipp av udopet AlN består av 2 bånd ved 350 og 380 nm, mens det av AlN dopet med 1,6% av et bånd ved 350 nm med en klar skulder ved 280 nm. 350 og 380 nm bånd er knyttet til Al stilling-oksygen-komplekser (O N -V Al), mens skulderen ved 280 nm med O-renset AlN påvirkes av Si for å danne SiO damp 22 Fig. 5b og 5c viser CL bilder som tas ved 280 nm for som sintrede og tverrsnitts AlN pulver dopet med 1,6% Si, respektivt. Den 280 nm emisjon er ujevn langs partikler fra CL bildet av den som sintrede prøve, de lysere områder synes å være på kantene av de parpartikler, men morfologi av partiklene og deres fordeling kan gjøre slike observasjoner ikke så opplagt. Men fra CL bildet av tverrsnitts prøve, synes det klart at den 280 nm emisjon er hovedsakelig lokalisert ved overflaten av partiklene, noe som tyder på at AlN partikler er faktisk er belagt med et Si-rikt lag og overflaterensing kan fortsette.
Lokale sammensetning endres i Sialon fosfor kan drastisk påvirke luminescence egenskaper. Således kan det samme sjeldne jordarts-ion i forskjellige verts-gittere eller i forskjellige områder gir forskjellige utslipp 15,18-20. Men dessverre lokale forskjeller under sintring, for eksempel en fordeling av den temperatur eller det rå materiale andel, eller den partielle oksydasjon av overflaten av partiklene, er ventet, noe som resulterer i forandringer i sammensetningen langs partiklene og / eller i sameksistens av flere faser. Slike virkninger kan ikke være direkte observer med strukturelle og kjemiske karakterisering teknikker. Derfor er det viktig å undersøke de lokale luminiserende egenskaper av en fosfor. Med nøyaktig kontroll av størrelsen og plasseringen av den elektronstråle i et SEM, er det mulig ikke bare å skaffe en CL-spektrum fra et nanoskala regionen, men også for å oppnå høy oppløsning CL bilder av luminiserende sentre.
(La, Ce) Al (Si 6-z-Al z) (N 10 z O z) (Z ~ 1) (JEM) er en intens blå fosfor som er egnet for generell belysning. Det er blitt funnet at ved å erstatte (La, Ce) av Ca, oppstår en rød skift og en utvidelse av CL topper i henhold til Ca-doping. Det ble antatt at Ca var påvirker krystall feltet splitting av Ce 3+. Men denne forklaringen, kun basert på luminescens spektra, er misvisende, som avslørt av tverrsnitt lokal analyse. 15 Figur 6 viser kryss-secelle SE (CS-SE), kombinert CS-CL bilder ved 300 nm (rød), 430 nm (blå) og 540 nm (grønn) og lokal CL spektra tatt ved 5 kV for JEM fosfor dopet med 0 (a, b, c) og 0,69 (d, e, f) ved. % Av Ca, respektivt. Det må blitt bemerket at disse bølgelengdene ble valgt for å redusere båndene overlapper hverandre i tilfelle at flere band eksisterer. For CS-CL bilde av Ca-udopet prøve, JEM partikler består av mange partikler sammenklebet med hverandre. Den luminescens på 430 nm er nesten jevnt fordelt med litt lysere området og noen av lokalisert område på 300 nm. På den annen side, korngrensene viser mørkere utslipp. Lokal CL analyse viser at den spektrale formen er forholdsvis sammenlignbare i alle posisjoner, med en forskyvning av båndene 430-450 nm og spektral intensitet i en god overensstemmelse med bildene. For CS-CL bilde av Ca-dopet, det er betydelige forskjeller mellom 430 og 540 nm. Submikron patcher tydelig ser lysere på 300 og 540 nm langs en stor portion av partiklene med mørkere korngrenseområder, mens 430 nm emisjon er lokalisert i en annen del av partiklene. Ved lokal analyse, CL spekteret tatt på en 430 nm lyse området (punkt 3) består et band på 440 nm, kan sammenlignes på en observert for Ca-undoped prøven. De lyse områdene på 540 nm, innebygd i samme partikkel, (poeng 1 og 4) viser et band på 480-490 nm. Små lyse områder på 300 nm (punkt 2) og mørke korn grensen regionen (punkt 5) viser et band på 440 nm med skulder ved 480 nm, med tidvis på utslipp på 310 nm. Basert på litteraturen og XRD analyse, kan vi tilskrive bandet sentrert rundt 430 nm til Ce 3+ i JEM 22 og som på 480 nm til Ce 3+ i α-SiAlON 23. Jo mørkere bred utslipp stammer til Ce 3+ i β-SiAlON, og at ved 310 nm til Sialon vertsmaterialet. Disse resultatene viser at den røde skift og utvidelse av CL topper ifølge Ca doping ikke kan tilskrivestil Ca-induserte forandringer i krystallfeltet splitting av Ce 3+ som opprinnelig tenkt, men mer til sameksistens av forskjellige faser inne i de samme partikler og gradvis endring av β-SiAlON til a-SiAlON med Ca doping.
Selv om observasjon av de ulike utslippssentre og deres distribusjon er mulig ved hjelp av lav-energi CL, kan det ikke være nok til å fullt ut forstå innholdet i de luminescence sentre. I slike tilfeller er det nødvendig å kombinere de CL målingene med andre teknikker. Siden hendelses elektroner kan generere andre signaler ved siden CL, er det mulig direkte å korrelere den lysemisjonen med elektriske, kjemiske eller strukturelle egenskaper ved å undersøke det samme område med forskjellige elektronstråle-teknikker. Således har korrelasjonen av CL med høy oppløsning TEM (HRTEM) og EBIC blitt anvendt for å karakterisere defekter, slik som dislokasjoner eller stablingsfeil. som forvariasjon av konsentrasjon / sammensetning, kan sammensetningen av CL med TEM, EDS eller Auger-spektroskopi resultere i en bedre forståelse av opprinnelsen til luminescens.
Her illustrerer vi dette aspektet ved å undersøke utslipp av Si-dopet AlN pulver. Figur 7 viser CS-CL og CS-EDS bilder (a, b) og lokal spektra (c, d) av AlN partikler dopet med 4,0% Si doping. CS-CL Bildet ble tatt ved 350 nm, mens den CS-EDS bilde består av overlagringen av Si og Al fordeling. CS-CL bildet viser mørkere langstrakt struktur i midten av partiklene. Lokale CL-spektra tatt i det lyse område bestå av en kraftig topp ved 350 nm med skuldre ved 280, 380 og 460 nm. Det er imidlertid tydelige endringer i forholdene mellom de forskjellige band med stillingen. Områder som viser en lysere utslipp på 350 nm (punkt 1) viser en høyere 280 nm utslipp og mindre 460 nm utslipp sammenlignet med main band på 350 nm, mens mørkere langstrakte patch (punkt 2) viser et mindre 280 nm utslipp og høyere 460 nm utslipp i forhold til de viktigste bandet på 350 nm. Den 460 nm er stammer fra Si-plass defekter i AIN 24. EDS-bilder og lokale spektra viser at det langstrakte mørkere område vise et mindre Al og høyere Si sammensetning i forhold til resten av partiklene. Sammenlignet med resultatene som ble observert i figur 5, kan vi anta at ved å øke mengden av Si i AlN, oppstår en sekundær reaksjon mellom Si og AlN, som induserer dannelsen av sialon faser.
To viktige parametere for et materiale som benyttes i enhetene er materialer med høy ytelse og stabilitet under stress. Faktisk vil en degradering av materialegenskaper under stress redusere sin levetid, som ikke er industrielt levedyktig. Dermed for elektronstråle stimulert enheter, for eksempel katodestrålerør (CRT) og FBI, er det necessary å utvikle elektronstrålebestråling resistente fosfor og / eller for å forstå de elektronstråleinduserte mekanismer for å forhindre eller redusere slike virkninger. Den luminescens nedbrytning kan skje via ulike mekanismer, som for adsorpsjon / desorpsjon eller lading flater, opprettelse eller aktivering av defekter, etc. 25-27. Selv om disse intensitetsvariasjoner kompliserer kvantitativ analyse av CL resultater, kan de anvendes til å undersøke levetiden av optoelektroniske innretninger.
For å illustrere dette poenget, har vi CL spektra og videreutviklinger av to blå-utslipp fosfor, Ce-dopet La 5 Si 3 O 12 N og Si / Eu-dopet AIN. Figur 8a viser CL spektra for Ce-dopet La 5 Si 3 O 12 N og Si / Eu-dopet AIN etter 20 sekunder av bestråling ved 5 kV. Begge prøvene viser en intens blå utslipp: bandet posisjon og intensitet for Ce-dopet La <sub> 5 Si 3 O 12 N er 456 nm og 3270 cps, henholdsvis, mens de for Si / Eu-codoped AIN er 466 nm og 3100 cps. A priori, er den viktigste forskjellen mellom disse 2 prøver den bredde av utslipp, ettersom utslipp for Ce-dopet La 5 Si 3 O 12 N er større grunn til sameksistens av flere band. Dermed ser det ut til at begge materialene er egnet som blå-utslipp fosfor for FBI, og at vi må vurdere kriterier som fabrikasjon kostnad, kompatibilitet med andre fosfor eller stabiliteten av luminescens eiendommer under elektronbestråling, for å bestemme mest egnet. Figur 8b viser utviklinger av CL intensiteten av Ce-dopet La 5 Si 3 O 12 N og Si / Eu-dopet AIN under elektronbestråling ved 5 kV. For Ce-dopet La 5 Si 3 O 12 N, reduserer intensiteten fra 3270 til 450 cps i 5 min og 95 cps i 60 min. Nemlig under 3600 sekav 5-kV bestråling, intensiteten avtar mer enn 95% av den opprinnelige intensitet. For Si / Eu-dopet AlN, intensiteten avtar 3100 til 2500 cps i 60 min, nemlig en reduksjon på 20% av den opprinnelige intensitet. Disse resultatene viser klart at Si / Eu-dopet AIN er mye bedre kandidat enn Ce-dopet La 5 Si 3 O 12 N er på grunn av sin høyere stabilitet.
Figur 1: Luminescence av sjeldne jord dopet Sialon fosfor Bilder av forskjellige fosfor i henhold synlig (a) og ultrafiolett (b) lys.. (C) Normalisert CL spektra av Eu 2+ i ulike verts innhegninger. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
page = "1"> 
Figur 2: Oppsett av CL (en) Fotografi av SEM med CL-system, med innfelt fotografi av ellipsoidiske speilet.. (B) Skjematisk bilde av lys deteksjonssystem. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: Fremstilling av sialon fosfor (a) Bestemmelse av utgangs pulvere, vekt og sintringsbetingelser;. (B) Blanding av rå pulver; (C) sintring av pulverblandingen; (D) Sintret pulver før og etter knusing.target = "_ blank"> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Fig. 4: Tverrsnitt preparat (a) Blanding av pulverne med harpiks og herder, og fordampning av luft i blandingen. (B) strømme inn en silikonformen og oppvarming. (C) Polering av chips av handy-lap og Ar-ion tverrsnitt poleringsmaskin. (D) Måletverrsnitts polert område. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Fig. 5: Kjerne-skall fordeling i Si-dopet AlN (a) CL-spektra av AlN pulver dopet med 1,6% av Si på 5 kV. (B - c) CL bilder tatt på 5 kV og 280 nm for as-sintret (b) og kryss-seksjonert (c) AlN pulver dopet med 1,6% av Si, henholdsvis. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet .
Figur 6:. Lokalt analyse av Ca-dopet JEM fosfor CS-SE, kombinerte CS-CL bilder ved 300 nm (rød), 430 nm (blått) og 540 nm (grønn) og lokal CL-spektrene tatt ved 5 kV for JEM fosfor dopet med 0 (a, b, c) og 0,69 (d, e, f) ved. % Av Ca, respektivt.ig6large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 7:.. CL og EDS sammenligning av Si-dopet AIN CS-CL og CS-EDS bilder (a, c) og lokal spektra (b, d) av AIN partikkel dopet med 4,0% Si doping Klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.
Figur 8:. Luminescence stabiliteten i to blå fosfor (a) CL spektra av Ce-dopet La 5 Si 3 O 12 N og Si / Eu-dopet AIN etter 20 sekunder av bestråling ved 5 kV. (b 5 Si 3 O 12 N og Si / Eu-dopet AIN under elektronbestråling ved 5 kV. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Discussion
Gjennom disse representative eksempler på lav-energi CL karakterisering på Sialon fosfor, har vi vist hvor kraftig og rask teknikk for fosfor etterforskning kan være. Ved å måle den lokale CL målinger og kartlegging, utnytter fleksibiliteten i prøveopparbeidelse og kombinere CL med andre teknikker, kan vi tilskrive mer nøyaktig opprinnelsen av luminescens, avklare vekstmekanismer og finne de mest egnede fosfor for applikasjoner. Disse resultatene er i hovedsak oppnåelige på grunn av forbedringer av elektronmikroskop og lysdetektorer, som forbedrer måleinnsamlingstidspunktet, følsomheten og den romlige oppløsning.
Begge Sialon fosfor og CL felt er ikke naturlig begrenset til de forhold som er presentert i denne artikkelen. I det følgende for å forstørre diskusjonen, skal vi diskutere litt mer om dem separat.
I tilfelle of Sialon fosfor, med sin overlegne luminescens og stabilitetsegenskaper, de blir mer og mer brukt for belysning programmer. Men de også vise veldig interessant mekanisk, termisk, magnetisk, superledning, elektrisk, elektronisk og optiske egenskaper, som kan være innstilt ved å endre sammensetningen. Dermed er de også finnes i et bredt spekter av applikasjoner som antireflection belegg, solar absorbenter, varme speil, fargede pigmenter, synlig lys-drevet photocatalysts, gjennomsiktige vinduer og rustninger, eller fluorescerende prober for bio-medisinsk bildebehandling 29. Vi kan forutse at de kommer til å spille viktige roller i mange energi- og miljørelaterte aspekter, som effektivt høste solenergi, innser hydrogen økonomi, redusere miljøforurensing, sparer naturressurser, etc. Men mye arbeid er fortsatt nødvendig å fortsette å forbedre sine egenskaper og samtidig redusere sine produksjonskostnader, slik som DecréAsing sintringstemperaturen eller begrense bruken av sjeldne jordioner. Det kan oppnås ved å finne nye Sialon fosfor, og avklare rollen til forholdene sammensetning og vekst på eiendommene. Vi har sett at CL kan spille en viktig rolle for å oppnå disse målene. Men har de siste nye tilnærminger avslørte også svært lovende muligheter. To av disse metodene er time-of-flight sekundær ion massespektrometri (TOF-SIMS) og single-partikkel diagnose. TOF-SIMS er i stand til å romlig løse hele massespektrum med høy følsomhet, som gjør det mulig ikke bare påvisning av arter på spornivå, men også forskjeller i oksydasjonstilstand 31. Enkelt-partikkel diagnose består i behandling av et individ luminescerende partikler i en kompleks blanding som en liten enkelt krystall, og for å undersøke de optiske og strukturelle egenskaper ved hjelp av super-oppløsning enkeltkrystall-røntgendiffraksjon og enkelt-partikkel fluorescens 31.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| SEM | Hitachi | S4300 | |
| Triple-grating monochromator | Horiba Jobin-Yvon | Triax 320 | |
| Photomultiplier | Hamamatsu | R943-02 | |
| Charge-coupled device with 2048 channels | Horiba Jobin-Yvon | Spectrum One | |
| Gas-pressure sintering furnace with a graphite heater | Fujidempa Kogyo Co. Ltd. | FVPHR-R-10, FRET-40 | |
| Silicone mold | LADD | 21780 | |
| Ar-ion cross-section polisher | JEOL | SM-09010 | |
| EDS | BRUKER | Xflash6/100 | |
| Resins | JEOL | Part No 780028520 |
References
- 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).
- Holloway, P. H., et al. Advances in field emission displays phosphors. J. Vac. Sci. Technol. B. 17 (2), 758-764 (1999).
- Itoh, S., Tanaka, M., Tonegawa, T.
- 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).
- McKittrick, J., Shea-Rohwer, L. E. Review: Down Conversion Materials for Solid-State Lighting. J. Am. Ceram. Soc. 97 (5), 1327-1352 (2014).
- Smet, P. F., Parmentier, A. B., Poelman, D. Selecting Conversion Phosphors for White Light-Emitting Diodes. J. Electrochem. Soc. 158 (6), 37-54 (2011).
- 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).
- 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).
- George, N. C., Denault, K. A., Seshadri, R. Phosphors for Solid-State White Lighting. Annu. Rev. Mater. Res. 43, 481-501 (2013).
- 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).
- Dierre, B., Yuan, X. L., Sekiguchi, T. Low-energy cathodoluminescence microscopy for the characterization of nanostructures. Sci. Technol. Adv. Mater. 11 (4), 043001 (2010).
- García de Abajo, F. J.
- Yacobi, B. G., Holt, D. B.
- Cho, Y., et al. Influence of Si on the particle growth of AlN ceramics. Appl. Phys. Express. 7 (11), 115503 (2014).
- 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).
- Hirosaki, N., et al. Blue-emitting AlN : Eu2+ nitride phosphor for field emission displays. Appl. Phys. Lett. 91 (6), 061101 (2007).
- Dierre, B., et al. Role of Si in the Luminescence of AlN :Eu,Si Phosphors. J. Am. Ceram. Soc. 92 (6), 1272-1275 (2009).
- 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).
- Dierre, B., et al. Luminescence distribution of Yb-doped Ca-alpha-SiAlON phosphors. J. Mater. Res. 23 (6), 1701-1705 (2008).
- Dierre, B., et al. Local analysis of Eu2+ emission in CaAlSiN3. Sci. Technol. Adv. Mater. 14 (6), 064201 (2013).
- Brillson, L. J.
- 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).
- Xie, R. -J., et al.
- Cho, Y., et al. Defects and luminescence control of AlN ceramic by Si-doping. Scripta Materialia. 110 (1), 109-112 (2016).
- Itoh, S., Kimizuka, T., Tonegawa, T. Degradation mechanism for low-voltage cathodoluminescence of sulfide phosphors. J. Electrochem. Soc. 136 (6), 1819-1823 (1989).
- 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).
- 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).
- 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).
- Xie, R. J., Hintzen, H. T. Optical Properties of (Oxy)Nitride Materials: A Review. J. Am. Ceram. Soc. 96 (3), 665-687 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Poelman, D., Smet, P. F. Time resolved microscopic cathodoluminescence spectroscopy for phosphor research. Physica B. 439, 35-40 (2014).
