En utmärkt kemiska och luminiscens stabiliteterna (oxi) nitrid fosfor presentera den som ett lovande alternativ till för närvarande används sulfid och oxid fosfor. I detta dokument presenterar vi vägen för att undersöka dess lokala luminiscens egenskaper med hjälp av energisnåla katodluminiscens (CL).
Nitrid och oxinitrid (Sialon) fosfor är goda kandidater för det ultravioletta och synliga applikationer utsläpp. Hög prestanda, god stabilitet och flexibilitet i sina emissionsegenskaper kan åstadkommas genom att kontrollera deras sammansättning och dopningsmedel. Dock krävs fortfarande en hel del arbete för att förbättra deras egenskaper och minska produktionskostnaderna. En möjlig väg är att korrelera luminiscens egenskaperna hos SiAlON partiklarna med deras lokala strukturella och kemiska miljön i syfte att optimera deras tillväxtparametrar och hitta nya fosfor. För ett sådant ändamål är lågspänning katodluminiscens (CL) mikroskopi en kraftfull teknik. Användningen av elektronen som en exciteringskälla tillåter att upptäcka de flesta av luminiscens centra, avslöjar deras luminiscens fördelning rumsligt och på djupet, direkt jämföra CL resultat med andra elektronbaserade tekniker, och att undersöka stabiliteten av deras luminiscens egenskaper under stress. Sådana fördelar för fosfor karakterisering kommer att belysas genom exempel på undersökning vid flera SiAlON fosfor från lågenergihus CL.
På senare tid har mer och mer uppmärksamhet ägnas åt miljöfrågor, särskilt produktion och förbrukning av energi. För att besvara dessa samhällets behov, måste energiproduktionen vara "grönare" betyder, att minska energiförbrukningen från traditionella källor eller utveckling av nya miljövänliga material. Lysdioder (LED) och fältemissionsdisplayer (FED) har fått stor uppmärksamhet på grund av deras kompakthet, bättre prestanda och lägre strömförbrukning jämfört med de faktiska skärmar, såsom kvicksilver gas-urladdnings lysrör eller plasmaskärmar 1-5. Den viktigaste faktorn för ljuskälla LED och FED är en högeffektiv fosfor. Sällsynta jordarts dopade fosfor är oorganiska material som består av ett värdgitter och sällsynta jordarts dopningsmedel, som kan avge ljus under excitation av fotoner (ultraviolett (UV), blått ljus), elektroner (elektronstråle) eller elektriskt fält. Kraven för högeffektiva fosforer är: 1) hög konverteringsionen effektivitet med de olika exciteringskällor; 2) god stabilitet med låg termisk härdning; 3) hög färgrenhet med full färg reproducerbarhet. Däremot kan endast ett mycket begränsat antal av fosfor närvarande uppfyller dessa minimikrav. För närvarande använda oxidbaserade fosforer har låg absorption i det synliga ljus spektrum, medan sulfid-baserade sådana har låg kemisk och termisk stabilitet. Dessutom visar de nedbrytning under elektroner eller omgivande atmosfär, vilket begränsar anordningens livstid. Eftersom deras färgrenhet och effektivitet är begränsade, gör det dem svåra att användas för att förverkliga högt färgåtergivningsindex (CRI) luminiscerande enheter. Följaktligen krävs utforskning av nya fosfor.
Sällsynta jordartsmetaller dopade nitrid och oxinitrid (SiAlON) fosfor anses vara bra kandidater med enastående termisk och kemisk stabilitet baserat på deras stabila kemisk bindning strukturer. Stokes-skift blir mindre i en stark lattice och det leder till en hög verkningsgrad och en liten termisk härdning av fosfor 6-9. I allmänhet är den luminiscens av tvåvärda sällsynta jordartsmetalljoner, såsom Eu 2+ eller Yb 2+, och Ce 3+ hänföras till 5d-4f elektroniska övergångar, och består av ett brett band med topp läge varierar med värdgitter grund till den starka växelverkan mellan 5d orbitaler och kristallfältet. På grund av deras egenskaper, är våglängd-avstämbara luminiscens som erhålls genom att ändra den kemiska naturen av sällsynta jordartsjoner och deras koncentration i värdgitter (fig. 1). Således kan SiAlON fosforer användas för att realisera högt Ra vita LED med hjälp av blå-grön-röd fosfor och applikationer i UV-FED.
Även SiAlON fosfor är lovande material, en hel del arbete såsom att hitta nya strukturer och minska produktionskostnader fortfarande krävs. Dessutom, på grund av svårigheterna i fråga om optimering av syndtrering förhållanden SiAlON fosfor innehåller ofta sekundära faser 18-20. Undersökning av sådana lokaliserade strukturer är viktigt att förstå sintringsmekanismen och optimera de sintringsförhållanden, och så för att förbättra de optiska egenskaperna hos SiAlON fosforer. Dessa mål kan uppnås genom energisnåla katodluminiscens (CL) teknik.
CL är ett fenomen i vilket elektroner bestrålar på ett luminiscent material orsaka emission av fotoner. I motsats till fotoluminescens (PL), som induceras av foton-excitation, är exciteringsområdet vanligen i storleksordningen millimeter och selektiva exciteringar förbättra särskilda emissionsprocesser, elektronstråle exciterar i nanometerskala och aktiverar alla luminiscens mekanismer som finns i materialet , vilket kan göra det möjligt att upptäcka olika faser med olika luminiscens egenskaper 10-12. Dessutom kan de infallande elektronerna generera inte bara CL-signalenmen också olika signaler, såsom reflekterat elektron, Auger eller röntgen, som ger olika information om materialet. Sålunda kan även erhållas de strukturella, kemiska eller elektriska egenskaper. Kombinationen av dessa tekniker med CL resulterar i en bättre förståelse av ursprunget för de lokala strukturerna för SiAlON fosfor 14-20.
CL undersökningar kan utföras med hjälp av olika typer av elektron-strålekällor 13. Numera svepelektronmikroskop (SEM) är det vanligaste systemet för att utföra CL mätningar. I det följande kommer vi att huvudsakligen diskutera detta system. Såsom framgår av fig. 2, är CL mätningarna med hjälp av en elektronkälla (SEM), en ljussamlare (optisk fiber och monokromator) och ett detektionssystem. Detektionssystem består av en laddningskopplad anordning (CCD) och ett fotomultiplikatorrör (PMT), som är för parallell avkänningsläge och serie avkänningsläge, respektive.I allmänhet är det uppsamlade ljuset från provet justeras genom slitsen och därefter dispergerades genom monokromator gittret. När det uppsamlade ljuset av provet dispergeras på CCD (parallell avkänningsläge) är varje emissionsvåglängden detekteras samtidigt. När en specifik våglängd av den dispergerade ljuset väljs av en slits (seriell avkänningsläge), är dess intensitet registreras av PMT att bilda monokromatiska bilder.
I detta papper, vi belysa främst användningen av en lågenergi CL för karakterisering av SiAlON fosfor, representativt, Si-dopat AIN 14, 22, Ca-dopade (La, Ce) Al (Si 6-z Al z) ( N 10-z O z) (z ~ 1) (JEM) 15, Si / Eu-dopade AIN 16, 17 och Ce-dopade La 5 Si 3 O 12 N material. Tvärsnitts polering metod som använder ett argon jonstrålar (CP-metoden) är en användbar metod för att observera skiktade strukturer, på grund av dess bredare polering område med mindre ytskador. Dethar utförts för en utredning av en lokal struktur av fosfor. Korrelationen av CL med andra elektronbaserade tekniker och utredningen av luminiscens stabilitet kommer att illustreras också.
Genom dessa representativa exempel på lågenergihus CL karakterisering på SiAlON fosfor, har vi visat hur kraftfull och snabb teknik för fosfor utredning kan vara. Genom att mäta den lokala CL mätningar och kartläggning, att dra nytta av den flexibilitet i provberedningen och kombinera CL med andra tekniker, kan vi tillskriva mer exakt ursprunget till luminiscens, klargöra tillväxtmekanismer och bestämma de mest lämpliga fosfor för applikationer. Dessa resultat är främst uppnås på grund av förbättringar av elektronmikroskop och ljusdetektorer, som förbättrar mätningen insamling tid, känslighet och den rumsliga upplösningen.
Både SiAlON fosfor och CL fält inte är naturligt begränsade till de aspekter som presenteras i detta dokument. I det följande, i syfte att utvidga diskussionen kommer vi att diskutera lite mer om dem separat.
Vid Of SiAlON fosfor, med sina överlägsna luminiscens och stabilitetsegenskaper, de blir mer och mer används för belysningsapplikationer. Men också visa de mycket intressant mekaniska, termiska, magnetiska, supra, elektriska, elektroniska och optiska egenskaper, som kan anpassas genom att ändra deras sammansättning. Således är de också i ett brett spektrum av tillämpningar, såsom antireflexbeläggningar, solabsorbatorer, värme speglar, färgpigment, synligt ljus drivna fotokatalysatorer, genomskinliga fönster och rustningar, eller fluorescerande prober för bio-medicinsk avbildning 29. Vi kan räkna med att de kommer att spela avgörande roller i många energi- och miljörelaterade aspekter, såsom effektivt skörda solenergi, förverkliga vätgasekonomin, minska miljöföroreningar, spara naturresurser, etc. Men en hel del arbete fortfarande krävs för att fortsätta att förbättra deras egenskaper och samtidigt minska sin produktionskostnaderna, såsom DecréAsing sintringstemperaturen eller begränsa användningen av sällsynta jordartsjoner. Det kan åstadkommas genom att hitta nya sialon fosfor, och klargöra rollen för sammansättning och tillväxtbetingelser på fastigheterna. Vi har sett att CL kan spela en viktig roll för att uppnå dessa mål. Men har de senaste nya metoder avslöjade också mycket lovande möjligheter. Två av dessa metoder är tids of-flight sekundär jon masspektrometri (TOF-SIMS) och single-partikel diagnos. TOF-SIMS kan rumsligt lösa hela masspektrum med hög känslighet, som gör det möjligt inte bara att upptäcka arter på spårnivå utan också skillnaderna i oxidationstillståndet 31. Den enda partikel diagnos består i behandlingen av en individuell luminiscerande partikel i en komplex blandning som en liten enda kristall, samt att undersöka de optiska och strukturella egenskaper med hjälp av super-resolution enkristallin röntgendiffraktion och enda partikel fluorescens 31.
<pclass = "jove_content"> När det gäller lågenergihus CL karakterisering, i detta papper, vi har främst koncentrerat sig på användningen av CL för SiAlON fosfor, medan CL också kan användas för andra material, såsom halvledare, nanostrukturer, organiska material, och keramik. Å andra sidan, även om CL är en ovärderlig teknik för kvalitativ karakterisering av optoelektroniska material, inducerar det också vissa försiktighetsåtgärder så kvantitativa mätningar. I själva verket CL resultat beror inte bara på exciteringsförhållanden strålströmmen och elektronenergi, utan också på mängden av de undersökta material 25. Sålunda kan en liten variation av dessa parametrar väsentligt ändra CL intensitet. Dessutom kan elektronstrålestrålning ökar möjligheten att skada proverna. Det kan framkalla en drastisk förändring i intensitet, eller förmå att skapa / aktivering av nya luminiscens centra, som kan påverka tillförlitligheten hos kvantitativa mätningar CL. Utvecklingen av CL i material characterization var och kommer att vara starkt relaterat till förbättringar i elektronstrålemikroskop och ljusdetektorer. Sålunda är det nu möjligt att utföra TEM. Det tillåter en högre rumslig upplösning och en direkt observation av luminiscens förändringen in situ observation av luminiscens ändring åtföljs med mikrostruktur förändring orsakas av elektronstråle-inducerad atomförskjutning, exempelvis 32-34. Dessutom med tillsatsen av en in-kolonn stråle blanker synkroniserad med den optiska detektorn är det nu tillgänglig att använda elektronstråle i pulsläge, som tillåter att utföra sönderfall profilmätningar i ett elektronmikroskop 35. Det kan också tänkt att användningen av pulsade elektronstrålestrålning kan minska elektronstråle inducerade skador, som kommer att förbättra tillförlitligheten hos kvantitativa mätningar och bidra till karakterisering av elektronstrålekänsliga material. Dessa 2 exempel illustrerar hur CL analys kan förbättras i framtiden. </ P>The authors have nothing to disclose.
This work was supported in part by Green Network of Excellence (GRENE) project from the Ministry of Education, Culture, Sport, and Technology (MEXT) in Japan. The authors are also grateful to the technicians of the Sialon Unit for their help in the phosphors synthesis, to MANA for its help in EDS measurements and to K. Nakagawa for the help in the CL system.
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 |