Fosfor Hijau Ramah Lingkungan: Zeolit-3A Doped Eu2+ untuk LED Hijau Murni Tinggi
Abstrak
Fosfor yang diaktifkan Eu2+ adalah sumbu utama teknologi pencahayaan dan layar modern, karena emisi yang cerah, stabil, dan ramah lingkungan. Di sini kami melaporkan fosfor hijau yang sangat efisien berdasarkan zeolit-3A doped dengan 1,3 wt % Eu. Bahan disintesis dengan reaksi keadaan padat suhu tinggi yang tidak memerlukan atmosfer atau agen pengurangan, membuat proses aman, hemat biaya, dan ramah lingkungan. Kami secara sistematis menyelidiki pengaruh suhu siner terhadap morfologi, struktur kristal, dan luminescence, dengan mengungkapkan bahwa ion Eu3+ secara bertahap direduksi menjadi Eu2+ seiring bertambahnya suhu. Sampel yang dioptimalkan menampilkan pita excitasi lebar dari 310 hingga 450 nm dan puncak emisi yang prominent pada 523 nm, dengan hasil kuantum fotoluminesensi sebesar 36,6 %. Saat dikombinasikan dengan chip UV komersial, fosfor menghasilkan LED hijau murni (koordinat CIE 1931 (0,295, 0,537)) dengan kecerahan 231,6 cd m–2 pada 3 V. Hasil ini menunjukkan rute sintesis hijau yang sederhana dan fosfor hijau yang promising untuk aplikasi pencahayaan dan layar generasi mendatang.
Latar Belakang
Bahan luminesens mendasari berbagai macam perangkat dari pencahayaan umum hingga layar resolusi tinggi. Fosfor europium diaktivasi tanah langka (RE) telah menarik perhatian berkelanjutan karena menggabungkan kecerahan tinggi, stabilitas kimia, dan ramah lingkungan. Europium ada dalam dua status oksidasi: Eu3+ biasanya memancarkan merah melalui transisi 5d–4f, sedangkan Eu2+ menunjukkan emisi 4f65d→4f7 yang lebar yang melintasi spektrum cahaya terlihat dan dapat disesuaikan oleh medan kristal. Karena Eu2+ tidak ditemukan secara alami, ia harus dihasilkan dengan mengurangi Eu3+, tradisionalnya dalam atmosfer pengurangan seperti H2/N2 atau CO, yang menimbulkan kekhawatiran keamanan dan biaya.
Karya terbaru telah menunjukkan bahwa Eu3+ dapat direduksi menjadi Eu2+ di udara pada suhu tinggi ketika dihosting dalam kerangka rigis yang mengandung grup BO4, PO4, atau AlO4/AlO6. Zeolit, dengan kerangka aluminosilikat dan kelimpahan alami, memenuhi persyaratan ini dan menyediakan host yang kimiawi robust. Zeolit-3A (Si/Al ≈ 1) telah banyak digunakan untuk fosfor down-conversion. Dalam studi ini kami menunjukkan bahwa Eu2+-doped zeolit-3A dapat disiapkan melalui perlakuan suhu tinggi sederhana di udara, menghasilkan fosfor hijau yang cerah yang cocok untuk aplikasi LED.
Metode
Tujuan Studi
Untuk mengembangkan rute sintesis hijau, aman, dan hemat biaya untuk fosfor diaktivasi Eu2+ yang menghasilkan emisi hijau cerah untuk aplikasi LED, tanpa menggunakan atmosfer pengurangan.
Bahan
Zeolit-3A (2/3 K2O·1/3 Na2O·Al2O3·2 SiO2·9/2 H2O, Si/Al ≈ 1) dibeli dari Shanghai Tongxing Molecular Sieve Co., Ltd. Oksida europium(III) (Eu2O3) diperoleh dari Sinopharm Co., Ltd. Resin silicone dan chip InGaN biru (5 mm × 5 mm, λ = 375 nm) disuplai oleh Shenzhen Looking Long Technology Co., Ltd.
Sintesis Sampel
Zeolit-3A doped Eu2+ disiapkan dengan reaksi keadaan padat suhu tinggi. Jumlah stokhiometrik zeolit-3A dan Eu2O3 dicampur dan digiling dalam mortar agate selama 40 menit, lalu disinter pada berbagai suhu (600–1400 °C) di udara selama 3 jam. Setelah pendingin, serbuk yang dihasilkan dikumpulkan.
Pembuatan LED Hijau
Serbuk fosfor dicampur dengan resin silicone (rasio massa 1:5) dan diaduk hingga homogen. Campuran dilapisi pada chip InGaN dan dikuring pada 60 °C selama ~2 jam, menghasilkan lapisan komposit tebal ~1 mm.
Karakterisasi
Morfologi dan struktur kristal diperiksa dengan FESEM (FEI Sirion-200) dan XRD (Philips X’Pert, Cu Kα, λ = 0,15405 nm). Analisis termogravimetri (TGA) dilakukan pada SDT Q600 dari suhu kamar hingga 800 °C (10 °C min–1) dalam N2. Spektra fotoluminesensi (PL) dan fotoluminesensi excitasi (PLE) direkam pada suhu kamar menggunakan spektrometer Edinburgh Instruments FLS920 dengan lampu Xe 450 W. Status oksidasi Eu diteliti dengan XPS (ESCALAB 250). Spektra elektroluminesensi (EL) LED diperoleh dengan spektrometer Ocean Optics FLAME-S-VIS-NIR dan bola integrasi serat optik.
Hasil dan Diskusi
Gambar 1a menunjukkan gambar SEM zeolit-3A murni: partikel kubus tidak teratur berukuran ~1,5 µm. Setelah disinter pada 1400 °C selama 3 jam, fosfor (Gambar 1b) menampilkan partikel agregat tidak teratur; XRD (Gambar 1c) mengonfirmasi retensi fase zeolit-3A murni tanpa puncak sekunder, yang menunjukkan incorporasi Eu2+ yang berhasil tanpa mengganggu jaring. TGA (Gambar 1d) menunjukkan kehilangan massa yang tidak terlupakan untuk sampel yang di-dop, mengonfirmasi stabilitas termal.
Gambar SEM dari a zeolit-3A murni dan b zeolit-3A: 1,3 wt % Eu disinter pada 1400 °C selama 3 jam. c Pola XRD fosfor. d Kurva TG zeolit-3A murni dan fosfor.
Gambar 2 menjelajahi efek suhu. Gambar SEM (a–d) menunjukkan bahwa di bawah 800 °C morfologi tetap kubus, tetapi pada 1000 °C dan di atasnya partikel agregat menjadi kluster yang lebih besar. XRD (Gambar 2e) mengungkapkan bahwa sampel yang disinter di bawah 800 °C mengandung impuritas Eu2O3 (puncak tambahan pada 12,5° dan 16,3°), yang menunjukkan incorporasi Eu yang tidak lengkap. Di atas 1000 °C, hanya pola zeolit-3A yang muncul, mengonfirmasi doping Eu2+ yang berhasil.
Gambar SEM zeolit-3A: 1,3 wt % Eu disinter pada 600 °C (a), 800 °C (b), 1000 °C (c), dan 1200 °C (d). e Pola XRD pada suhu yang sesuai.
Spektra PL (Gambar 3a) mengilustrasikan evolusi dari emisi merah Eu3+ (617 nm) pada suhu rendah menjadi emisi hijau Eu2+ dominan (523 nm) pada 1400 °C. Pita excitasi lebar (310–450 nm) dan puncak emisi hijau tajam pada 523 nm ditangkap dalam spektra PL/PLE (Gambar 3b), yang cocok dengan output chip UV 375 nm. XPS (Gambar 4) menunjukkan puncak karakteristik Eu3+ (1165 eV, 1135 eV) dan puncak Eu2+ (1155 eV, 1125 eV), mengonfirmasi reduksi parsial selama siner suhu tinggi. Mekanisme yang diusulkan melibatkan substitusi Eu3+ untuk K+ dalam jaring, penciptaan vakansi, dan tangkapan elektron yang mengarah pada pembentukan Eu2+.
Spektra XPS untuk Eu dalam fosfor yang disinter pada 1400 °C.
Mengoptimalkan konsentrasi Eu (Gambar 5) mengungkapkan intensitas PL maksimum pada 1,3 wt % Eu; doping yang lebih tinggi mengakibatkan quenching konsentrasi karena transfer energi Eu–Eu yang meningkat. Kurva intensitas PL relatif (Gambar 5b) menunjukkan reproduksibilitas.
a Spektra PL untuk konten Eu yang bervariasi (x = 0,9–1,9 wt %) disinter pada 1400 °C. b Intensitas PL relatif versus konsentrasi Eu.
LED hijau yang dibuat (Gambar 6a) menunjukkan puncak EL pada 375 nm (chip) dan 523 nm (fosfor). Perangkat memancarkan cahaya hijau yang cerah pada 3 V, dengan koordinat CIE (0,295, 0,537) dan kecerahan 231,6 cd m–2, yang menunjukkan keurniaan warna tinggi.
a Spektra EL pada 3 V. Inset: foto LED hijau yang bekerja. b Koordinat warna CIE.
Kesimpulan
Kami telah mendemonstrasikan sintesis suhu tinggi berbasis udara dari fosfor zeolit-3A diaktivasi Eu2+ dengan hasil kuantum 36,6 % dan puncak emisi 523 nm. Excitasi lebar fosfor (310–450 nm) cocok dengan chip UV komersial, memungkinkan konstruksi LED hijau murni (CIE (0,295, 0,537), 231,6 cd m–2). Proses tidak memerlukan gas pengurangan, sehingga aman, dapat diskalakan, dan ramah lingkungan. Temuan ini menempatkan zeolit-3A doped Eu sebagai bahan yang promising untuk teknologi pencahayaan dan layar di masa depan.
Ketersediaan Data dan Bahan
Dataset yang mendukung kesimpulan artikel ini tersedia dalam artikel.
