En fremragende kemiske og luminescens stabiliteter af (oxy) nitrid fosfor præsentere denne som en lovende alternativ til i øjeblikket anvendes sulfid og oxid fosfor. I dette papir, præsenterer vi den måde at undersøge sine lokale luminescens egenskaber ved hjælp af lavenergi cathodoluminescence (CL).
Nitride og oxynitrid (Sialon) fosfor er gode kandidater til det ultraviolette og applikationer synlige emissioner. Høj ydeevne, god stabilitet og fleksibilitet af deres emissionsegenskaber kan opnås ved at styre deres sammensætning og doteringsmidler. Men en masse arbejde stadig behov for at forbedre deres egenskaber og reducere produktionsomkostningerne. En mulig tilgang er at korrelere luminescensegenskaberne af Sialon partikler med deres lokale strukturelle og kemiske miljø for at optimere deres vækst parametre og finde nye fosfor. Til et sådant formål, lav spænding cathodoluminescence (CL) mikroskopi er en kraftfuld teknik. Brugen af elektron som en excitation kilde tillader detektering fleste luminescens centre, afsløre deres luminescens fordeling rumligt og i dybden, direkte sammenligne CL resultater med de andre elektron-baserede teknikker, og undersøge stabiliteten af deres luminescens egenskaber under stress. Sådanne fordele for fosfor karakterisering vil blive fremhævet gennem eksempler på undersøgelser på flere Sialon fosfor ved lavenergi CL.
For nylig, er mere og mere opmærksomhed viet til miljøspørgsmål, især energiproduktion og -forbrug. For at besvare disse samfundets behov, skal energiproduktion være "grønnere", der betyder, at reducere energiforbruget fra traditionelle kilder eller udvikling af nye miljøvenlige materialer. Lysdioder (LED) og feltemissionsdisplays (Feds) har fået stor opmærksomhed på grund af deres kompakthed, forbedret ydeevne og lavere strømforbrug i forhold til de faktiske skærme, såsom kviksølv gas-udledning fluorescerende lys eller plasmaskærme 1-5. Den afgørende faktor for lyskilde LED og FED er en høj-effektiv fosfor. Sjældne jordarters doteret phosphorer er uorganiske materialer, der består af et værtsgitter og sjældne jordarters doteringsstoffer, som kan udsende lys under excitation af fotoner (ultraviolet (UV), blåt lys), elektroner (elektron-stråle) eller elektrisk felt. Kravene til de højeffektive fosfor er: 1) høj konversionen effektivitet med de forskellige excitationskilder; 2) god stabilitet med lav termisk afkølende; 3) høj farve renhed med fuld farve-reproducerbarhed. Dog kan kun et meget begrænset antal af fosfor i øjeblikket opfylder disse minimumskrav. Øjeblikket anvendes oxid-baserede phosphorer har lav absorption i det synlige lys spektrum, mens sulfid-baserede dem har lav kemiske og termiske stabiliteter. Desuden viser de nedbrydning under elektroner eller omgivende atmosfære, hvilket begrænser enhedens levetid. Siden deres farve renhed og effektivitet er begrænset, det gør dem vanskelige at anvendes til realiseringen af høj farvegengivelsesindeks (CRI) luminescerende enheder. Derfor er udforskning af nye fosfor påkrævet.
Sjældne jordarters doteret nitrid og oxynitrid (Sialon) fosfor betragtes som gode kandidater med enestående termisk og kemisk stabilitet baseret på deres stabile kemisk binding strukturer. Stokes skift bliver mindre med et stærkt lattice og det fører til en høj virkningsgrad og en lille termisk quenching af fosfor 6-9. Generelt er luminescensen af divalente sjældne jordarters ioner, såsom Eu 2+ eller Yb 2+, og Ce 3+ tilskrives 5d-4f elektroniske overgange, og består af et bredt bånd med topposition varierende med værten gitter grund til den stærke vekselvirkning mellem 5d orbitaler og krystal felt. På grund af deres egenskaber, er bølgelængden-afstemmelige luminescens opnået ved at ændre den kemiske natur af sjældne jordarters ioner og deres koncentration i værtsgitteret (fig. 1). Således kan Sialon fosfor bruges til at realisere høj CRI hvid-LED bruger blå-grøn-rød fosfor og applikationer i UV-FEDs.
Selvom Sialon fosfor er lovende materialer, en masse arbejde såsom at finde nye strukturer og reducere produktioner omkostningerne er stadig behov. Som følge af vanskelighederne med hensyn til optimering af syndensgistrering betingelser, Sialon fosfor indeholder ofte sekundære faser 18-20. Undersøgelse af sådanne lokaliserede strukturer er vigtigt at forstå sintringen mekanisme og optimere sintringsbetingelser, og således forbedre de optiske egenskaber af Sialon phosphorer. Disse mål kan opnås ved lavenergi cathodoluminescence (CL) teknik.
CL er et fænomen, hvor elektroner bestråler på et luminescerende materiale forårsage emission af fotoner. I modsætning til fotoluminescens (PL), som induceres af foton excitation, excitation området er normalt i størrelsesordenen millimeter og selektive excitationer forbedre bestemte emissionsprocesser, elektron-exciterer i nanometerskala og aktiverer alle luminescens mekanismer i materialet tilstedeværende , som kan tillade påvisning af forskellige faser med forskellige luminescensegenskaber 10-12. Derudover kan de indfaldende elektroner generere ikke kun CL signalmen også forskellige signaler, såsom reflekteret elektron, Auger eller X-ray, som giver forskellige oplysninger om materialerne. Således kan også opnås den strukturelle, kemiske eller elektriske egenskaber. Kombinationen af disse teknikker med CL resulterer i en bedre forståelse af oprindelsen af de lokaliserede strukturer af Sialon fosfor 14-20.
CL undersøgelser kan udføres ved hjælp af forskellige typer af elektron-beam kilder 13. Dag, scanningselektronmikroskop (SEM) er den mest almindelige system til at udføre CL målinger. I det følgende vil vi først og fremmest for at drøfte dette system. Som det ses i fig. 2 er CL målinger udført ved anvendelse af en elektronkilde (SEM), en lysopfanger (optisk fiber og monokromator) og et detektionssystem. Påvisning system består af en ladningskoblet indretning (CCD) og et fotomultiplikatorrør (PMT), som er til parallel-detekteringstilstand og seriel-detekteringstilstand hhv.Generelt er det opsamlede lys fra prøven justeres ved slidsen og derefter dispergeret ved monokromator rist. Når de indsamlede lyset af prøven spredes til CCD (parallel-afsløring tilstand), er hver emission bølgelængde samtidigt opdaget. Når en bestemt bølgelængde af den dispergerede lys udvælges af en spalte (seriel-detekteringstilstand), er dens intensitet registreres af PMT til dannelse monokromatiske billeder.
I dette papir, vi først og fremmest fremhæve brugen af en lav energi CL til karakterisering af de Sialon fosfor, repræsentativt, Si-doteret AlN 14, 22, Ca-doteret (La, Ce) Al (Si 6-z Al z) ( N 10-z O z) (z ~ 1) (JEM) 15, Si / Eu-doteret AlN 16, 17 og Ce-doteret La 5 Si 3 O 12 N materialer. Tværsnit polering fremgangsmåde under anvendelse af en argon-ion beam (CP metoden) er en nyttig metode til at observere lagdelte strukturer, på grund af dets bredere polering område med mindre overflade skader. Deter blevet udført for en undersøgelse af en lokal struktur af phosphorer. Korrelationen af CL med andre elektron-baserede teknikker og undersøgelse af luminescens stabilitet vil også blive vist.
Gennem disse repræsentative eksempler på lavenergi-CL karakterisering på Sialon fosfor, har vi vist, hvordan magtfulde og hurtig teknik til fosfor undersøgelse kan være. Ved at måle den lokale CL målinger og kortlægning, drage fordel af fleksibiliteten i udarbejdelsen prøve og kombinere CL med andre teknikker, kan vi tilskrive mere præcist oprindelsen af luminescens, klarlægge de mekanismer vækst og fastlægge de mest egnede fosfor til applikationer. Disse resultater er hovedsagelig opnåelige på grund af de forbedringer af elektronmikroskoper og lysdetektorer, som forøger målingen indsamling tid, følsomhed og rumlige opløsning.
Både Sialon fosfor og CL felter er ikke naturligt begrænset til de aspekter, der præsenteres i dette dokument. I det følgende, for at udvide diskussionen, skal vi diskutere lidt mere om dem hver for sig.
I tilfælde of Sialon fosfor, med deres overlegne luminescens og stabilitetsegenskaber, de bliver mere og mere vant til belysning. Men de også vise meget interessant mekaniske, termiske, magnetiske, superledning, elektriske, elektroniske og optiske egenskaber, der kan indstilles ved at ændre deres sammensætning. Således er de også findes i en bred vifte af applikationer såsom antirefleksionsovertræk, sol absorbere, varme spejle, farvede pigmenter, synligt lys-drevne fotokatalysatorer, gennemsigtige vinduer og armors, eller fluorescerende prober til bio-medicinsk billeddannelse 29. Vi kan forudse, at de kommer til at spille afgørende roller i mange energi- og miljørelaterede aspekter, såsom effektivt høste solenergi, realisere brintøkonomien, reducere de miljømæssige forureninger, sparer de naturlige ressourcer, etc. Men en masse arbejde er stadig forpligtet til at fortsætte med at forbedre deres egenskaber og samtidig reducere deres produktionsomkostninger, såsom decreAsing sintringstemperaturen eller begrænse brugen af sjældne jordarters ioner. Det kan opnås ved at finde nye Sialon fosfor, og afklaring af rolle sammensætning og vækstbetingelser på ejendommene. Vi har set, at CL kan spille en vigtig rolle for at nå disse mål. Men har de seneste nye tilgange også afsløret meget lovende muligheder. To af disse fremgangsmåder er time-of-flight sekundær ion massespektrometri (TOF-SIMS) og enkeltstrenget partikel diagnose. TOF-SIMS er i stand til rumligt løse hele massespektret med høj følsomhed, som muliggør ikke kun detektion af arter på spor-niveau, men også forskellene i oxidationstrin 31. Den fælles-partikel diagnose består i behandlingen af en individuel luminescerende partikel i en kompleks blanding som en lille enkelt krystal, og til at undersøge de optiske og strukturelle egenskaber ved hjælp af super-opløsning enkelt-krystal røntgendiffraktion og enkelt-partikel fluorescens 31.
<pclass = "jove_content"> Som for lavenergi-CL karakterisering, i dette papir, vi har hovedsageligt koncentreret om anvendelsen af CL for Sialon phosphorer, mens CL også kan anvendes til andre materialer, såsom halvledere, nanostrukturer, organiske materialer, og keramik. På den anden side, selv om CL er en uvurderlig teknik til kvalitativ karakterisering af optoelektroniske materialer, det fremkalder også nogle advarsler for kvantitative målinger. Faktisk CL resultater afhænger ikke kun af excitations- betingelser, strålestrømmen og elektron energi, men også af mængden af undersøgte materialer 25. Således kan en lille variation af disse parametre markant ændre CL intensitet. Derudover kan elektron-bestråling øger muligheden for at beskadige prøverne. Det kan fremkalde en drastisk ændring i intensiteten, eller inducere oprettelse / aktivering af nye luminescens centre, som kan påvirke pålideligheden af kvantitative CL målinger. Udviklingen af CL i materialer characterization var og vil være stærkt relateret til de forbedringer i elektron-beam mikroskoper og de lyse detektorer. Således er det nu muligt at udføre TEM. Det tillader en højere rumlig opløsning og en direkte observation af luminescens ændring i situ observation af luminescens ændring ledsaget med mikrostruktur forandring forårsaget af elektron-stråle induceret atomare forskydning, for eksempel 32-34. Desuden med tilsætning af en in-kolonne stråle Blanker synkroniseret med den optiske detektor, er det nu tilgængelig til brug elektronstråle i puls-mode, som gør det muligt at udføre henfald profilmålinger i et elektronmikroskop 35. Det kan også menes, at anvendelsen af pulseret elektron-bestråling kan reducere elektron-stråle inducerede skader, som vil forbedre pålideligheden af kvantitative målinger og hjælpe i karakteriseringen af elektron-beam følsomme materialer. Disse 2 eksempler viser, hvordan CL analyse kan forbedre i fremtiden. </ 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 |