引言

LED（Light-Emitting Diode）是半導(dǎo)體二極管的一種，能把電能轉(zhuǎn)化成光能。LED是由PN結(jié)組成的，其特點是施加正向電壓時釋放單色光（monochromaticlight），這種現(xiàn)象被稱為電致發(fā)光（electro- lumine-scence）。LED 通常由基板和化合物半導(dǎo)體組成，以釋放藍光的LED為例，采用可釋放藍色光線的GaN半導(dǎo)體材料，將N型半導(dǎo)體（N-GaN）、過渡層（In-GaN）及P型半導(dǎo)體（P-GaN）依次蒸鍍到基板上。如圖1b所示，上方設(shè)有可施加電壓的(+)電極，(-)極則設(shè)在N-GaN的局部。zui近，因為白光LED具有環(huán)保、使用壽命長的特點，對白光LED的研究頗受關(guān)注，相關(guān)機構(gòu)預(yù)測將來白光LED可替代熒光燈。白光LED以發(fā)光二極管為基礎(chǔ)，利用 LED釋放的光和相應(yīng)的熒光體（phosphor）結(jié)合，使得混合形成的光的分布十分接近太陽光的白色光。

          圖 1. (a) LED 發(fā)光原理，(b) 藍色 LED

圖2. 白光LED的4種組合方法

圖2所示展示了4種白光LED的組合方法，各組合方法的特點如下：

①藍色LED+黃色熒光體：這是目前作為zui常用的方法，將GaN基LED芯片的藍光作為激發(fā)光，激發(fā)黃色熒光體-Y₃Al₅O₁₂:Ce(YAG:Ce)。藍色 LED  芯片發(fā)出波長約為450nm的藍光和熒光體發(fā)出的波長約為 560nm 的黃光相混合形成白光。

②UV  LED+RGB三波長熒光體：將紫外光LED作為激發(fā)光源激發(fā)RGB三波長熒光粉產(chǎn)生白光，其發(fā)光效率比藍光*。

③3原色LED發(fā)光二極管組合：由紅、綠、藍3種 LED芯片組合而成，不使用熒光體。由于不使用熒光

體，所以不存在熒光體吸收和散射導(dǎo)致的光損失，不過3種LED芯片的發(fā)射光譜都不寬，每個芯片的特

性都要調(diào)整，不太適合用于照明。

④具有互補關(guān)系的2色LED發(fā)光二極管組合：將相互具有互補關(guān)系的橙色和青綠色LED發(fā)光二極管組合為一體的方法，按照 4:1 的比例混合就能形成白光。用于白光LED的熒光材料除了需確保較高的熒光效率，還要維持材料的熱穩(wěn)定性。目前研究人員正在積極研發(fā)可滿足上述條件的熒光體。在本研究中，利用Lumina的Peltier粉末池附件，以普通熒光物質(zhì)硫酸鍶（SrSO₄）和應(yīng)用較為廣泛的白光LED熒光材料-鋁酸鹽類熒光劑YAG（Yttrium alumini-um garnet, Y₃Al₅O₁₂）為實驗對象，檢測不同溫度條件下的熒光性能，并對檢測結(jié)果進行比較。用于本研究的 Peltier 粉末池架采用空氣制冷設(shè)計，可在20 -90 范圍內(nèi)控制樣品的溫度，zui高升溫速度為 30 /min（圖 3）。

圖 3. (a) Lumina Peltier 粉末池附件，(b) Peltier 溫度控制器

試劑和儀器

1. 熒光分光計(Lumina)

2.LED 熒光粉YAG（釔鋁石榴子石 Y₃Al₅O₁₂）3.硫酸鍶粉末 [SrSO₄] 4.Peltier 粉末池 5.Peltier 粉末池支架 6.Peltier 溫度控制器

實驗步驟

1.將YAG（LED熒光劑）粉末放入Peltier粉末池內(nèi)，蓋上蓋子，再放置于粉末池支架上。

2.在Lumina上安裝Peltier粉末池支架后，連接至Peltier溫度控制器上。

3.將Peltier溫度控制器的溫度設(shè)定為20 ，溫度穩(wěn)定后連續(xù)檢測10次熒光強度并求得平均值。

4.每次升溫10 ，溫度穩(wěn)定后連續(xù)檢測10次并求得平均熒光強度，直至90  。

5.按照步驟1-3對硫酸鍶（SrSO₄）粉末進行取樣并檢測熒光強度。

儀器參數(shù)

圖 4. (a) YAG(LED phosphor) 粉末檢測條件，(b) SrSO₄  粉末檢測條件

結(jié)果

利用Peltier粉末池附件檢測樣品的熒光性能，如圖5所示隨著溫度上升，YAG（LED熒光劑）和硫酸（SrSO₄）的熒光強度均呈下降趨勢。隨著溫度上升，LED熒光體的熒光強度下降11%，硫酸鍶（SrSO₄）的熒光強度則下降27.7%，具體數(shù)據(jù)見表1。可以確認LED熒光劑的熒光強度下降幅度小于SrSO

圖 5. 在不同溫度條件下，YAG(LED phosphor)和 SrSO₄ 的熒光強度

表 1.不同溫度條件下，YAG(LED phosphor)和 SrSO₄的熒光強度

隨著溫度上升，熒光強度下降，這是由于高溫條件下熒光分子的運動變得更加活躍，分子間的撞擊容易導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)移或者系間竄越。因此不同的熒光劑顯示不同的溫度消光效率2)。另外，觀察YAG（LED熒光劑）的發(fā)射光譜（圖 6），隨著溫度上升，zui大熒光強度的波長向長波長方向移動約6nm左右（20  為542.6nm，90  為548.4nm）。這主要是由于熒光體吸收光照達到激發(fā)態(tài)后，釋放光量子并返回基態(tài)，隨著溫度上升，會以發(fā)熱或其他形態(tài)失去部分能量，導(dǎo)致返回基態(tài)后的分子能量水平有所下降3)。

結(jié)論

在本實驗中，利用Thermo Fisher的Lumina熒光分光光度計和Peltier粉末池附件檢測了不同溫度條件下LED熒光劑及普通熒光樣品的熒光強度。根據(jù)檢測結(jié)果可確認，隨著溫度上升，樣品的熒光強度會下降，而且LED 熒光體的熒光強度下降幅度小于普通熒光樣品。同時，LED 熒光體的發(fā)射光譜zui大峰值向長波長方向移動。