Легированный редкоземельным элементом люминофор на основе щелочноземельного элемента и нитрида кремния, способ его производства и преобразующее излучение устройство, содержащее такой люминофор - RU2470980C2

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к способу производства легированного редкоземельным элементом люминофора на основе щелочноземельного элемента и нитрида кремния. Названный способ содержит этап отбора одного или более соединений, каждое из которых содержит, по меньшей мере, один элемент из группы, содержащей редкоземельные элементы (RE), щелочноземельные элементы (АЕ), кремний (Si) и азот (N), и вместе содержат необходимые элементы, чтобы образовать легированный редкоземельным элементом люминофор на основе щелочноземельного элемента и нитрида кремния (AE₂Si₅N₈:RE). Другим этапом способа является приведение соединений при повышенной температуре к реакции образования легированного редкоземельным элементом люминофора (AE₂Si₅N₈:RE) на основе щелочноземельного элемента и нитрида кремния, при которой намеренно или не намеренно добавляется небольшое количество кислорода, который вводится в образовавшийся легированный редкоземельным элементом люминофор на основе щелочноземельного элемента и нитрида кремния (AE₂Si₅N₈:RE). Такие основанные на нитриде кремния люминофоры образуют люминофоры с улучшенным химическим составом и оптическими свойствами. Такие основанные на легированном редкоземельным элементом нитриде кремния материалы сильно поглощают УФ-синий свет и эффективно преобразуют его в желто-оранжево-красный свет. Поэтому они могут использоваться в качестве люминофора для источников света и дисплеев, особенно для светоизлучающих диодов (LED) и дисплеев со сканирующим лучом (как описано, например, в международной заявке WO 2007/131195), работающих с лазером УФ- и фиолетового излучения как источником излучения, а также преобразователей излучения в других устройствах. Изобретение далее относится к люминофору, получаемому таким способом, и к преобразующему излучение устройству, содержащему такой люминофор.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Способ такого рода, упомянутый во вступительном абзаце, известен из европейской заявки на патент ЕР 1104799 А1. В ней описано, как таким путем, например, производится Еu²⁺-легированный M₂Si₅N₈ (М=Са, Sr, Ba), который сильно поглощает УФ-синее излучение и эффективно преобразует это поглощенное излучение в красный свет.

Недостаток известного способа состоит в том, что эффективность преобразования люминофором, полученным названным способом, не является удовлетворительной. Более того, эффективность преобразования падает в результате деградации люминофора.

Международная заявка WO 2006/126567 А1 описывает нитридные и оксинитридные люминофоры, в которых щелочноземельный элемент замещен элементом, имеющим более низкую валентность. Кроме того, ионы азота могут быть замещены ионами кислорода. Вариант воплощения этого люминофора представлен формулой Sr₂Al_qSi_5-qN_8-qO_q:Eu.

В заявке США US 2007/0114548 А1 показан люминофор общей формулы Ca_1-g-h-iCe_g(Li,Na)_hEu₁Al_1+g-hSi_1-g+hN₃. Включение одновалентных ионов Li⁺, Nа⁺ связано с включением ионов Се³⁺ которые заменили ионы Са²⁺ и/или с включением ионов Si⁴⁺ которые заменили ионы Al³⁺.

В заявке США US 2005/083037 А1 показан люминофор общей формулы (Sr_1-x-yBa_xCa_y)_2-zSi_5-aAl_aN_8-aO_a:Eu_z.

В заявке США US 2004/055910 А1 показан люминофор общей формулы (Sr_1-x-yBa_xCa_y)_2-zSi_5-aAl_aN_8-aO_a:Eu_z, где 0<а<5.

ЗАДАЧА И КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

По этой причине настоящее изобретение имеет целью обеспечение способа производства, обеспечивающего люминофор, кроме того, с более высокой эффективностью преобразования и превосходной долговечностью.

Согласно изобретению эта цель достигается в способе по п.1 Формулы изобретения.

Изобретение основано на заключении, что неудовлетворительные свойства вышеупомянутых известных люминофоров возникают в результате образования дефектов за счет формирования нестехиометрического содержания кислорода в люминофоре. Кроме того, этапы, упомянутые во вступительном абзаце способа согласно изобретению, характеризуются тем, что образование дефектов за счет формирования нестехиометрического содержания кислорода в люминофоре, по меньшей мере, частично предотвращается частичным замещением ионов (АЕ, Si, N) люминофора на основе щелочноземельного металла и нитрида кремния (AE₂Si₅N₈) подходящими добавочными элементами Периодической системы, посредством чего создаются вакансии, заполненные или аннигилированные, приводящие к формированию модифицированного люминофора на основе щелочноземельного металла и нитрида кремния (AE₂Si₅N₈), имеющего (более) стехиометрический состав. Таким образом, модифицированный люминофор получается с превосходными оптическими люминесцентными свойствами, подобными спектральному распределению преобразованного излучения, но, в особенности, с очень высокой эффективностью преобразования и очень умеренной деградацией.

Настоящее изобретение основано на следующих удивительных фактах. Прежде всего, изобретатель понимает, что небольшие количества кислорода, намеренно или ненамеренно добавляются к исходным материалам или во время производственного процесса. Примером первого является добавление небольших количеств оксида европия (Еu₂О₃) к соединениям, используемым для образования люминофора. Хотя обжиг названных соединений для получения люминофора обычно выполняется в восстанавливающей среде, например в смеси азота и водорода, изобретатель понимает, что не весь добавленный оксид до такой степени удаляется. Кроме того, может происходить ненамеренное добавление кислорода, поскольку чистые исходные материалы могут содержать примеси оксидов, которые не полностью или даже вообще не удаляются во время производства. Примером такой примеси является диоксид кремния (SiO₂), который может присутствовать в различных количествах в исходном материале, таком как нитрид кремния (Si₃N₄). Второй факт состоит в том, что присутствие кислорода может приводить к формированию нестехиометрического соединения на кристаллической решетке люминофора нитридосиликатного типа, содержащей тетраэдры с разделяющим углы SiN₄, и имеющей различные кристаллические структуры, такие как моноклинические или орторомбические структуры. Это может быть показано следующей формулой:

AE₂Si₅N_8-xO_3/2*x

Это уравнение показывает, что если фракция x ионов азота замещается ионами кислорода, то полученное соединение должно содержать 3/2*х атомов кислорода, для того чтобы получить нейтральность зарядов. Поскольку только фракция x доступна для позиционирования ионов О на центрах N, оставшиеся 1/2*х атомы О должны быть позиционированы где-нибудь еще. Это может быть, например, в форме промежуточного (1/2) кислородного атома. Такой дефект будет влиять на эффективность преобразования негативным образом и также может увеличить деградацию люминофора.

Создание вакансии в кристаллической решетке люминофора может быть использовано по изобретению, чтобы избежать формирования такого дефекта внедренного кислорода способом, который будет обсуждаться ниже.

Более вероятно, однако, что, по меньшей мере, часть избыточных кислородных атомов позиционируется на позиции иона N в дополнительной элементарной ячейке. Однако по причинам нейтральности зарядов этот дефект внедренного аниона эквивалентен созданию катионной вакансии на катионной подрешетке, которая также имеет показанные выше негативные влияния на свойства люминофора.

Кроме того, изобретение основано на знании, что путем замещения подходящими элементами периодической системы ионов, формирующих (легированный редкоземельным элементом) люминофор на основе щелочноземельного элемента и нитрида кремния, названные дефекты можно избежать путем создания, заполнения и аннигиляции вакансий. Более того, по способу настоящего изобретения сегрегация люминофора на два или более соединений по существу предотвращается. Такая сегрегация также является вредной для эффективности преобразования и способствует деградации люминофора. Таким образом, при использовании способа по изобретению получается люминофор с очень высокой эффективностью, поскольку число дефектов, таких как дефекты внедрения и вакансии, которые действуют как центры для безызлучательных рекомбинаций, и возможность сегрегации снижаются (см. чертеж). В то же самое время снижается деградация люминофора.

В предпочтительном варианте выполнения подходящие элементы формируют анионы для замены анионов азота, при этом они имеют больший отрицательный заряд, чем ионы азота, которые они заменяют. В этом способе также создаются вакансии, которые могут аннигилировать катионные вакансии, сформированные избыточным кислородом на азотной подрешетке. Подобным образом, формирование дефекта внедренного кислорода можно будет избежать, поскольку созданная анионная вакансия может быть занята атомом кислорода, который иначе мог бы формировать внедрение. Пример этого создания анионной вакансии сформирован путем замены части ионов азота (N) ионами углерода (С).

Предпочтительно создание вакансий по существу полностью предотвращается путем введения соответствующих количеств добавочных элементов в люминофор. По этой причине преимущественная модификация характеризуется тем, что для определения подходящего количества добавочных элементов определяются содержание кислорода в исходных соединениях и/или количество кислорода, вводимого во время реакционного процесса.

В предпочтительной модификации количество кислорода в люминофоре по изобретению может быть минимизировано посредством устранения нитратов, карбонатов, оксалатов, ацетатов или подобных как исходных материалов. В получающемся в результате люминофоре будет присутствовать только остаточный кислород, например, в технически пригодных нитридах.

В другой модификации для композиций выбираются твердые соединения, которые перемалываются, смешиваются и нагреваются в печи в окружающей среде, которая свободна или, по меньшей мере, по существу свободна от кислорода. Кроме среды, свободной (по существу) от кислорода, такая окружающая среда может быть даже восстанавливающей, как среда, содержащая смесь азота и водорода. Несмотря на использование других способов производства, таких как MOVPE или MOVPD (=газофазная с применением металлоорганических соединений эпитаксия/осаждение) или так называемая Золь-Гель технология, варианты выполнения способом твердотельного синтеза дают несколько важных преимуществ. Для указанного выше способа твердотельного синтеза нагревание может осуществляться, например, при температуре в пределах от 1200 до 1700 градусов Цельсия, предпочтительно от 1300 до 1600 градусов Цельсия.

В предпочтительной модификации для соединений, используемых в формировании люминофора, выбираются только те соединения, которые не содержат намеренно добавленный кислород. Таким образом, содержание кислородного соединения в модифицированном люминофоре является насколько возможно низким. Соединение модифицированного люминофора в этом случае имеет формулу, которая близка, по возможности, например, к AE₂Si₅N₈:RE.

Изобретение, кроме того, содержит модифицированный легированный редкоземельным элементом люминофор на основе щелочноземельного элемента и нитрида кремния (AE₂Si₅N₈:RE), полученный способом по изобретению. В предпочтительном варианте выполнения композиция люминофора представлена как AE_2-xAK_xSi₅N_8-xO_x:RE, где x меньше чем 1, предпочтительно, существенно меньше чем 1, хотя больше чем ноль. Очень подходящие значения для доли x кислорода в молях представляют меньше чем 0.25, и наиболее предпочтительный диапазон для содержания кислорода находится между 0 и 0.1.

Другой привлекательный люминофор соответствует AE₂Si_5-xN_8-xTE_xO_x:RE, где x, предпочтительно, меньше чем 1, предпочтительно, меньше чем 0.25, более предпочтительно находится между 0 и 0.1.

Другая предпочтительная композиция соответствует AE₂Si₅N_8-2xC_xO_x:RE, в которой снова x меньше чем 1, более предпочтительно, меньше чем 0.25, более предпочтительно находится между 0 и 0.1. Символы АЕ, АК, RE и ТЕ имеют такие же значения, как указано выше. Следует отметить, что также можно получить люминофоры, которые являются смесью показанных выше смешанных кристаллов. Таким образом, замещение может одновременно происходить как на подрешетке АЕ, так и на решетке кремния и на подрешетке азота.

В случае замещения ионов азота в анионной подрешетке отрицательно заряженными ионами углерода следует рассмотреть другой аспект. Кроме эффекта компенсации вакансий, введение ионов углерода (С^4-) в подрешетку нитридных анионов может оказывать дополнительные положительные влияния на свойства люминофора, например на устойчивость люминофора к деградации. Эти дополнительные влияния обусловлены более сильной ковалентной связью Si-C по сравнению со связью Si-N. Введение С в нитридную решетку и образование Si-C связи уже известно для карбидонитридокремниевых соединений, таких как Re₂Si₄N₆C. Поэтому добавление большего количества SiC может быть благоприятным, так как это необходимо для компенсации определенного и рассчитанного количества кислорода. В этом случае добавочные компенсирующие заряженные элементы, такие как (1-) заряженные анионы Х (например, ионы галогенов, такие как F^-), (3⁺) заряженные катионы М (например, La³⁺, Sc³⁺, Y³⁺ или другие (3+) заряженные ионы редкоземельных элементов) и/или (5+) заряженные катионы (например, Р⁵⁺, Та⁵⁺, V⁵⁺ должны быть введены посредством замещения анионов N^3-, щелочноземельных ионов и ионов кремния, что соответственно приводит к получению композиций люминофора, которые удовлетворяют, например, формулам

AE₂Si₅N_8-3zC_2zF_z или

AE₂Si₅N_8-2x-3zO_xC_x+2zF_z, AE₂Si_5-zP_zN_8-zC_z и Sr_2-zLa_zSi₅N_8-zC_z или Sr_2-zLa_zSi₅N_8-2x-zO_xC_x+z.

Наконец, изобретение содержит устройство, преобразующее излучение для трансформации УФ, фиолетового и синего излучения в желто-оранжево-красный свет, содержащее модифицированный легированный редкоземельным элементом люминофор на основе щелочноземельного элемента и нитрида кремния (AE₂Si₅N₈:RE), получаемый способом по изобретению. Например, могут быть рассмотрены соответствующие технические устройства, лампы дневного света, светоизлучающие диоды цветного и белого света (LED), дисплеи, со специальным сканирующим лучом на основе лазерного излучения УФ или фиолетового света, а также фотоэлементы, кроме того, оранжерейные пленки и стекла. Однако изобретение не ограничивается этими примерами.

Здесь следует заметить, что выражение, выбранное для обозначения легирования редкоземельным элементом, то есть "формула: RE", выбрано по причине простоты и для выражения того, что элемент RE образует легирующий элемент и может присутствовать в относительно небольшом количестве. Впрочем, в настоящем изобретении кислород и подходящие замещающие элементы также присутствуют в относительно низких концентрациях в смешанном кристаллическом соединении люминофора. Таким образом, выражение "формула", в которой представлен и используется элемент RE, является обоснованной также и с другими составляющими (АЕ, Si, N, О) соединения люминофора. В действительности, элемент RE может присутствовать также в большом количестве по отношению к элементу АЕ, вплоть даже до 100% замещения элемента АЕ элементом RE.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Далее следует заметить, что материалы на основе нитрида кремния могут быть получены различными путями, например твердотельным синтезом, начиная от нитридов, нитрированием основных исходных материалов или карботермическим восстановлением и нитрированием оксидов исходных материалов. Аммонолиз оксидов исходных основных материалов, включающий нагревание в атмосфере, содержащей NH₃, также является возможным способом. Способ твердотельного синтеза применяется обычно для получения M₂Si₅N₈:Eu люминофорного материала, начиная от (нитрированного) Еu и М (щелочноземельных) металлов вместе с Si₃N₄.

Например, получение M₂Si₅N₈ (M=Ba, SR, Са), легированного Еu²⁺, может быть следующим. Сдвоенные нитридные предшественники SrN_a (а≈0.6-0.66), BaN_b (b≈0.6-0.66) и EuN_c (c≈0.94) могут быть получены предварительно посредством реакции технически чистых металлов стронция, бария и Еu в потоке высушенного азота при температуре 800, 550 и 800°С соответственно, в течение 8-16 часов. Дополнительно порошок нитрида кальция Са₃N₂ и порошок α-Si₃N₄ могут быть использованы как сырьевые материалы непосредственно после получения. Поликристаллические M_2-yEu_ySi₅N₈ (0≤у≤0.2 для М=Са, 0≤y≤2.0 для М=Sr, Ва) порошки могут быть приготовлены способом твердотельного синтеза при умеренно высокой температуре. Порошки Са₃N₂, SrN_a, BaN_b и EuN_c, а также α-Si₃N₄, развешиваются в соответствующих количествах и затем смешиваются и вместе размалываются в агатовой ступке. Смеси порошков затем переносятся в молибденовые тигли. Все процессы выполняются в очищенной и заполненной азотом манипуляционной ручной камере. Затем эти смеси порошков дважды обжигаются (с промежуточным дроблением) в горизонтальной трубчатой печи при 1300-1400°С в течение 12 и 16 часов, соответственно, в потоке газа 90% N₂ - 10% H₂.

Описание дано для способа твердотельного синтеза материала, основанного на нитриде кремния, начиная с Si₃N₄ как исходного материала. Различные варианты компенсации присутствия кислорода в исходном материале Si₃N₄ (это означает, что присутствует SiO₂), например для Sr₂Si₅N₈:Eu, представляют собой:

Использование С^4- (например, посредством добавления SiC)

Благодаря замене пары (ОС)^6- равно заряженной парой (N₂)^6-, общая стехиометрия кристаллической решетки-хозяина сохраняется, и никаких дефектов (подобных вакансиям или внедрениям), не образуется. Это может достигаться путем добавления SiC к реакционной смеси в количестве, которое требуется, чтобы израсходовать кислород, присутствующий в исходном Si₃N₄ материале (в виде SiO₂), согласно уравнению реакции SiO₂+2SiC→Si₃С₂O₂. В результате получается соединение с такой стехиометрией, как в "идеальном" материале Si₃N₄ (без кислорода). Пример полученного люминофора представляет собой (Sr,Eu)₂Si₅N_8-2xO_xC_x.

Предложенная идея не только может быть использована для компенсации присутствия кислорода в Si₃N₄, но также в исходных материалах, содержащих Sr и Eu. Предложенная идея делает возможным использование относительно небольших количеств (дешевле и более удобно) исходных оксидных материалов, таких как SrO (SrСО₃) и Еu₂O₃.

Условия синтеза, касающиеся процедуры смешивания, температуры обжига и атмосферы, а также других свойств, аспектов и преимуществ изобретения, более подробно будут обсуждаться ниже со ссылкой на три примера с различным содержанием кислорода. Исходные материалы представляют собой Si₃N₄ (либо α либо β), SrN_a (или нитридный Sr) и/или небольшие количества SrO (или SrСО₃) и EuN_c (или нитридный Eu) и/или небольшие количества Еu₂O₃. В то же время для компенсации заряда остаточных количеств кислорода (например, присутствующего в Si₃N₄) или намеренно добавленных количеств кислорода (например, как SrO или Еu₂О₃) добавляются AlN или SiC.

Пример 1:

230 г α-Si₃N₄ (содержание кислорода 0.6 масс. %), 3.64 г SiC, 6.08 г Eu (который нитрировали в атмосфере N₂ при 800°С) и 172 г Sr (который нитрировали в атмосфере N₂ при 800°С) последовательно смешивали в атмосфере сухого азота. Эту смесь загружали в термически и химические устойчивые тигли и обжигали в атмосфере N₂/H₂ при 1350-1600°С в течение 8-24 часов. Полученный люминофор может быть представлен следующей формулой:

Sr_2-yEu_ySi₅N_8-2xO_xC_x, где x = 0.086 и y = 0.04.

Пример 2:

Смесь 225 г α-Si₃N₄ (содержание кислорода 1.5 масс.%), 8.66 г AlN, 6.08 г Eu (который снова нитрировали в атмосфере N₂ при 800°С) и 172 г Sr (который также нитрировали в атмосфере N₂ при 800°С) готовили и обжигали таким же образом, как описано в примере 1. Полученный люминофор может быть представлен следующей формулой:

Sr_2-yEu_ySi_5-xAl_xN_8-xO_x, где x = 0.211 и y = 0.04.

Пример 3:

Смесь 218 г α-Si₃N₄ (содержание кислорода 1.0 масс.%), 15.05 г SiC, 26.39 г Еu₂O₃ и 162 г Sr (который нитрировали в атмосфере N₂ при 800°С) готовили и обжигали таким же образом, как описано в примере 1. Полученный люминофор может быть представлен следующей формулой:

Sr_2-yEu_ySi₅N_8-2xO_xC_x, где x = 0.361 и y = 0.15.

Изобретение было описано выше со ссылкой на предпочтительные варианты выполнения. Специалисты в данной области техники примут во внимание, что можно применять многочисленные модификации, не выходя за рамки формулы изобретения. Согласно этому описание следует рассматривать как иллюстративное, а не ограничительное, и никакие ограничения не должны подразумеваться, кроме тех которые установлены формулой изобретения.

Хотя изобретение особенно подходит для люминофора, изготовленного посредством дробления и нагревания, оно может применяться также для других способов производства, таких как способы, упомянутые выше, например, MOVPE. В способе могут применяться флюсы или добавки для влияния на размер частиц и/или морфологию частиц.

Вместо легирования одним ионом редкоземельного элемента, может быть рассмотрено легирование более чем одним из таких ионов, например Eu и Се. Также возможно совместное легирование или совместная активация ионами переходных металлов.

Дополнительно следует заметить, что в примерах Sr может быть частично или полностью заменен Mg, или Са, или Ва, или подобными, или комбинацией таких элементов. В этом отношении следует заметить, что щелочноземельные элементы частично могут быть заменены другими подходящими ионами металлов с зарядом 2+, в частности такими как ион Zn.

Хотя изобретение, в частности, имеет целью производство модифицированного люминофора на основе щелочноземельного элемента и нитрида кремния с композицией, близкой к AE₂Si₅N₈:RE, оно также может быть применено для изготовления других модифицированных соединений щелочноземельного элемента и нитрида кремния с композицией, близкой к другим известным соединениям элементов АЕ, Si и N. Примерами последних являются AESi₇N₁₀ или AESiN₂. Изобретение равным образом имеет дело с полученными соответствующим способом соединениями фосфора, в которых выполняются соответствующие замещения, и с преобразующим излучение устройством, содержащим эти соединения.

Могут применяться другие способы возбуждения, кроме одного, упомянутого, например, возбуждения электронным лучом или рентгеновскими лучами, электролюминесценция и др. Кроме порошков могут применяться другие формы для соединений, используемых в способе по изобретению, например монокристаллы, тонкие пленки, керамические материалы (спекаемый порошок) и совместное покрытие, в котором соединение покрывается другим материалом.

Наконец, следует отметить, что хотя способ по изобретению, предпочтительно, подразумевает образование желаемого соединения люминофора, применяя синтез, основанный на двух или более соединениях, он также содержит способ, в котором одно соединение, которое уже изготовлено согласно композиции желаемого люминофора, обрабатывается одним (или более) другим соединением. Это производится для того, чтобы устранить дефекты и/или сегрегацию в люминофоре посредством образования модифицированного соединения, в котором дефекты удалены посредством создания, заполнения или аннигиляции вакансий.

Реферат

Изобретение может быть использовано при изготовлении источников света для светоизлучающих диодов и дисплеев со сканирующим лучом. Соединения, каждое из которых содержит, по меньшей мере, один элемент из группы, содержащей редкоземельные элементы, щелочноземельные элементы, кремний и азот, реагируют при повышенной температуре, при которой намеренно или ненамеренно добавляется небольшое количество кислорода. Полученный люминофор имеет общую формулу AESiNCO:RE, где АЕ - щелочноземельный элемент, RE - редкоземельный элемент, x меньше чем 1. Люминофор имеет стабильные оптические свойства, высокую долговечность и эффективность. 4 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 пр.

Формула