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).
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.
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.
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.
<pclass = "jove_content"> Når det gjelder lav-energi CL karakterisering, i dette papir, vi har hovedsakelig konsentrert seg om bruken av CL for SiAlON fosfor, mens CL kan også brukes til andre materialer, så som halvledere, nanostrukturer, organiske materialer, og keramikk. På den annen side, selv om CL er en uvurderlig teknikk for kvalitativ karakterisering av optiske materialer induserer det også noen advarsler for kvantitative målinger. Faktisk CL resultater er avhengig ikke bare av eksitasjon betingelser, strålestrømmen og elektronenergi, men også av mengden av materialer som er undersøkt 25. Således kan en liten variasjon av disse parametrene vesentlig endrer CL intensitet. I tillegg kan elektronstrålebestråling øke muligheten for å ødelegge prøvene. Det kan indusere en drastisk endring i intensitet, eller indusere dannelsen / aktivering av nye luminescens sentre, som kan påvirke påliteligheten av kvantitative CL målinger. Utviklingen av CL i materialer characterization var og vil være sterkt knyttet til forbedringer i elektronstråle mikroskoper og lys detektorer. Dermed er det nå mulig å utføre TEM. Den tillater en høyere romlig oppløsning og et direkte observasjon av luminescens endringen in-situ observasjon av luminescens forandring sammen med mikroendringer som følge av elektronstråleinduserte atom forskyvning, for eksempel 32-34. Dessuten, med tillegg av en in-kolonne bjelke tømming synkronisert med den optiske detektoren, er det nå tilgjengelig for bruk elektronstråle i pulsmodus, som gjør det mulig å utføre forråtnelse profilmålinger i et elektronmikroskop 35. Det kan også antatt at anvendelse av pulset elektronstrålebestråling kan redusere elektronstråleinduserte skader, noe som vil forbedre påliteligheten av kvantitative målinger og hjelpe i den karakteriseringen av elektronstråle følsomme materialer. Disse 2 eksemplene illustrerer hvordan CL analyse kan øke 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 |