Syntese af nye røde fosfor med et smart materiale som værtsmateriale

Professor Hiromi Nakano fra Toyohashi University of Technology brugte et materiale med en unik periodisk struktur (smart materiale:Li-M-Ti-O [M =Nb eller Ta]) som værtsmateriale til at syntetisere nyt Mn ⁴⁺ -aktiverede fosfor, der udviser rødt lys ved 685 nm, når de exciteres ved 493 nm. Fordi valensen af ​​Mn-ionerne i materialet ændres fra Mn ⁴⁺ til Mn ³⁺ i henhold til sintringstemperaturen, sammensætning, og krystalstruktur, der er forskel på fosforens fotoluminescensintensitet. XRD, TEM, og XANES blev brugt til at afklare forholdet mellem fotoluminescensintensiteten og sintringstemperaturen, sammensætning, krystal struktur, og MgO co-doping.

Den hvide farve i hvide LED'er opnås normalt ved at excitere en gul fosfor med blåt lys. Imidlertid, farvegengivelsesindekset med denne metode vurderes som lavt, fordi der ikke er tilstrækkeligt rødt lys sammenlignet med sollys. Derfor, fosfor, der udsender rødt lys, har en vigtig rolle som materialer med et højt farvegengivelsesindeks.

Tidligere, Professor Nakanos team brugte et smart materiale (Li-M-Ti-O [M =Nb eller Ta]) som værtsmateriale til at syntetisere en Eu ³⁺ -aktiveret rødt fosfor. Denne gang, de syntetiserede nye Mn ⁴⁺ -aktiverede røde fosfor uden brug af sjældne jordarters materialer.

Li-Nb-Ti-O (LNT)-systemet og Li-Ta-Ti-O (LTT)-systemet er begge smarte materialer (se f.eks. figur), der selvorganiserer sig i en periodisk struktur med en intervækstlagsperiode, der ændrer sig iht. til TiO ₂ dopingmængde. Det periodiske strukturområde af LTT-systemet er smallere end LNT-systemets, og der er forskel på sintringsbetingelserne for dens tilblivelse. Derfor, mens man sammenligner LNT- og LTT-systemerne, holdet undersøgte nøje, hvordan fotoluminescensintensitet og Mn-ionvalens ændrer sig med sintringstemperaturen, sammensætning, krystal struktur, og MgO co-doping.

Som et resultat af denne forskning, det blev forstået, at LTT havde en væsentlig højere fotoluminescensintensitet end LNT på grund af ændringer i krystalstrukturen på grund af sintringstemperaturen og sammensætningen. Generelt, hvis sintringstemperaturen er høj, Mn ⁴⁺ vil sandsynligvis reduceres til Mn ³⁺ , forklarer faldet i fotoluminescensintensiteten. Med hensyn til ændringer i krystalstrukturen, når TiO ₂ dopingmængden øges, antallet af [Ti ₂ O ₃ ] ²⁺ periodiske sammenvækstlag øges også. Fordi sammenvækstlaget er dannet med Ti ³⁺ ioner, det var underforstået, at de omgivende iltmangel bidrager til reduktioner fra Mn ⁴⁺ til Mn ³⁺ . Derudover når MgO-doping blev udført for at øge fotoluminescensintensiteten, LTT-phosphoren, der ikke havde en periodisk struktur, udviste en 100% Mn ⁴⁺ forhold og den højeste fotoluminescensintensitet.

Den studerende, der oprindeligt var involveret i eksperimentet, udtalte, at "Mn ⁴⁺ phosphor udviste ikke fotoluminescens med værtsmaterialet", og forskningen blev sat i bero i omkring seks måneder. Næste år, en anden elev syntetiserede fosforen og sagde, "det udviser en svag fotoluminescens, men jeg tror, ​​vi kunne prøve nogle ting for at forbedre det." Gennem gentagne forsøg og fejl, holdet afslørede en vigtig faktor:ud over sintringstemperaturen, der var signifikante forskelle i ændringerne af krystalstrukturen, når Mn ⁴⁺ forholdet blev kontrolleret. Gennem adskillige ture til Aichi Synchrotron Radiation Center, holdet var i stand til at måle Mn ⁴⁺ forhold og konsolidere deres forskningsresultater.

Mn ⁴⁺ -aktiveret phosphor skulle syntetiseres ved en forholdsvis lav 850 °C for at øge Mn ⁴⁺ forhold. Imidlertid, under denne betingelse, der er et problem med moderat lav krystallinitet. I fremtiden, de vil prøve forskellige co-dopanter for yderligere at udforske synteseprocessen for at opnå en lysere rød phosphor. I de seneste år, der har været mere interesse for dybrøde Mn-fosfor aktiveret uden brug af sjældne jordarters materialer, såsom til brug i LED vækstlys, og ansøgninger kan forventes at udvide i fremtiden.