一、引言
由于石油、煤炭等传统化石能源枯竭，同时新的能源生产供应体系又未能完全及时建立，在交通运输、金融业、工商业等方面造成了一系列的能源危机，这严重阻碍了世界经济发展，因此节能减排已经成为当今全球经济发展关注的焦点，发展低碳环保经济已成全球共识。正是在这样的背景下，白光LED由于其节能、环保、寿命长等诸多优点在近几年获得了快速发展，在全世界大放异彩。
白光LED是一种将电能直接转换为白光的固态半导体照明器件，突破了白炽灯钨丝发光与节能灯三基荧光粉发光的原理，光谱几乎全部集中于可见光频段，具有效率高、体积小、寿命长、安全、低电压、节能、环保等诸多优点，被人们看成是继白炽灯、荧光灯、高压气体放电灯之后第四代照明光源，被誉为21世纪新固体光源时代的革命性技术，已经在手机与LCD等背光源、室外景观照明、室内装饰照明、户外显示屏、交通信号灯、汽车照明、安全照明等领域得到广泛应用。 目前，白光LED的实现方法主要包括以下三种：（1）通过LED红绿蓝的三基多芯片组合发光合成白光。其优点是效率高、温可控、显性较好；缺点是三基光衰不同导致温不稳定、控制电路较复杂、成本较高。（2）蓝光LED 芯片激发黄荧光粉，由LED芯片发射的蓝光和荧光粉发出的黄绿光合成白光，为改善显性能还可以在其中加入少量红荧光粉或同时加适量绿、红荧光粉。其
研磨粉
优点是发光效率高、制备工艺简单、温度稳定性较好、显性较好；缺点是出光一致性相对较差、温随出光角度变化而变化。（3）紫外光LED芯片激发荧光粉发出三基光合成白光。其优点是显性好；缺点是目前LED芯片效率较低，且有紫外光泄漏对人眼造成伤害问题，荧光粉温度稳定性问题亦有待解决。因此，蓝光LED芯片搭配黄Y AG荧光粉是目前业界公认效率最佳的白光LED实现方式，而欧司朗光电半导体所发展的以蓝光LED芯片搭配黄TAG 荧光粉表现则较为逊。
Y AG荧光粉是一种钇铝石榴石结构的黄粉体颗粒，可以通过氧化铝、氧化钇及少量氧化铈在一定条件下反应制得。在蓝光LED芯片搭配黄Y AG荧光粉的封装方式中，Y AG荧光粉的性能直接影响着白光LED的发光效率、显性、温、光衰等重要性能参数。因此，全世界各大企业及科研院所都投入了大量的人力物力深入研究YAG荧光粉的合成方法及制备工艺，发展出了高温固相法、溶胶-凝胶法、共沉淀法、水热法、喷雾燃烧法等众多新方法新工艺，希望获得 更高性能的Y AG荧光粉。其中尤其以高温固相法制备的Y AG荧光粉发光效率最高，制备工艺简单，易于工业化生产，是目前采用的最主要生产方法。
本实验通过高温固相法制备高效YAG荧光粉，系统研究氧化钇、氧化铝、氧化铈等原料在高温固相条件下的反应过程及原理，深入研究不同Ce3+离子掺杂浓度对荧光粉发光强度及发射峰位置的影响，进一步研究添加不同助熔剂种类及含量对YAG荧光粉颗粒大小及形貌的影响。通过本次实验训练，培养学生熟练使用各种检测仪器的能力，提高学生提出问题、解决问题的综合实验设计能力。
二、实验目的
（1）掌握高温固相法制备Y AG荧光粉的反应原理及制备工艺流程；
（2）学习Ce3+稀土离子在Y AG荧光粉中的发光机理，掌握荧光光谱仪的工作原理及使用方法；
（3）学习不同烧结工艺对YAG荧光粉微观形貌的影响，掌握扫描电子显微镜的工作原理及使用方法；
（4）了解不同烧结工艺对Y AG荧光粉物相纯度的影响，掌握X-射线衍射仪的工作原理及使用方法。
三、实验原料和实验设备
1、实验原料
三氧化二钇、三氧化二铝、二氧化铈、硼酸、氟化钡。
2、实验设备
电子天平、玛瑙研钵、高温管式炉、荧光光谱仪、扫描电子显微镜、X-射线衍射仪。
四、工艺过程
广义上讲，固相反应是指有固相参与的所有化学反应，但狭义上固相反应指固体与固体间发生化学反应生成固体产物的过程。固相反应的特点是没有化学平衡，由于固相反应是固体与固体之间在界面上进行的反应，因此具有反应速率慢、底物扩散慢和高温下才能发生反应等特点，其优点是成本低、高产率、不使用溶剂，环境污染少、工艺过程简单等。固相反应一般包括以下三个过程：（1）扩散：和液相反应一样，固相反应的发生起始于两个反应物分子的扩散接触，反应物混合产生表面效应标志着固相反应的发生，对于大多数固相反应
而言，扩散过程是控制反应速率的关键；
（2）反应：两个经过扩散接触的反应物分子通过化学反应而生成新的产物分子，此时生成的产物分散在母体反应物中，只能当作一种杂质或缺陷而分散存在；
（3）产物层增厚：新的产物分子集聚到一定量时成为晶核，而后晶核长大使得产物层增厚，最后成为独立的晶相，使固相反应达到稳定。
影响高温固相反应速率的因素主要有以下两点：
（1）反应物化学组成与结构的影响：反应物结构状态、质点间的化学键性质、各种缺陷的多少都会影响反应速率。在实际当中，利用多晶转变、热分解、脱水反应等过程引起晶格效应都可提高生产效率。
（2）反应物颗粒尺寸及分布的影响：颗粒愈小，反应愈剧烈，颗粒尺寸可改变反应界面、扩散截面以及颗粒表面结构。颗粒愈小，比表面越大，反应截面越大，键强分布曲率变平，弱键比例越大，固相反应和扩散能力越大。值得注意的是颗粒尺寸不同反应机理也可能不同。
本实验采用高温固相法制备高效YAG荧光粉，其工艺过程如图1所示。首先根据化学式Y3-x Al5O12: x Ce摩尔计量比准确称取相应的原料，将所称取的原料在玛瑙研钵中充分混合均匀，然后将充分混合均匀的配合料置入刚玉坩埚中，放入高温管式炉中，在5%H2/N2混合气还原气氛条件下灼烧3~5小时，自然降温至室温，取出样品，将烧结后所得样品进行研磨粉碎，即得一系列黄的Y AG 荧光粉。 图1 高温固相法制备高效Y AG荧光粉工艺过程
五、实验内容及步骤
（1）以三氧化二钇、三氧化二铝、二氧化铈、硼酸、氟化钡为原料，分别按摩尔比称取Y2.98Al5O12: 0.02Ce、Y2.94Al5O12: 0.06Ce、Y2.90Al5O12: 0.10Ce各一份，每份约10g；另外再称取两份Y2.94Al5O12: 0.06Ce原料，每份约10g，其中一份加入2wt%硼酸，另一份加入2wt%氟化钡作为助熔剂；
（2）将称取的原料倒入玛瑙研钵中，用研钵棒轻轻地研磨，每份样品研磨时间约为15分钟，使原料充分混合均匀；
（3）将混合好的原料轻轻倒入刚玉坩埚中，盖好坩埚盖子，放入高温管式炉中，通气气氛为5%H2/N2混合气体，作为还原气氛将四价Ce4+还原为三价Ce3+离子；
（4）设定烧结温度程序，以10℃/min的升温速率从室温升温到1450℃，在1450℃保温4小时，然后随炉自然降温，当炉体温度降至300℃以下时，关闭5%H2/N2混合气体气源；
（5）当炉体温度降至室温时，取出样品，将烧结后的块状粉体研磨粉碎至粉末状；
（6）对样品进行荧光光谱、微观形貌、物相纯度等性能表征。
七、实验报告要求
（1）写出实验目的、内容及步骤，设计图表记录分析实验过程中的数据；（2）用origin科技作图软件分别绘制五个样品的发射光谱图、激发光谱图、X-射线衍射光谱图；
（3）分析不同原料组分对样品发光性能的影响；
（4）探讨不同烧结工艺对样品微观形貌、物相纯度的影响。
思考题
（1）荧光粉作为一种光致发光材料，其发光机理是怎样的？
（2）为什么Ce3+离子掺杂浓度不是越多越好？其原因是什么？
（3）硼酸和氟化钡在样品烧结过程中起着什么样的作用？
附件：主要分析测试仪器工作原理及操作方法
1、X-射线衍射仪工作原理及操作方法
X射线衍射仪是利用衍射原理，精确测定物质的晶体结构，织构及应力，精确的进行物相分析，定性分析，定量分析。广泛应用于冶金、石油、化工、科研、航空航天、教学及材料生产等领域。
本实验所用D2 PHASER是德国布鲁克AXS公司最新推出的桌面型多晶X 射线衍射仪，通过Bragg-Brentano几何，可以获得高质量的衍射数据，用于定性、定量分析、晶粒大小及微观应力分析、结晶度分析以及结构精修。先进的陶瓷X 光管技术、高精度的测角仪、超高强度的探测器，再加上屡获殊荣的软件意味着一个完美的粉末衍射解决方案。
其操作步骤如下：
（1）、检查所有仪器的电源处于关断状态；
（2）、打开D2 PHASER主机背后电源开关；
（3）、主机启动后，四个LED指示灯依次亮起，屏幕出现按下“Ctrl+Alt+Del”提示，按下后屏幕出现登录界面；
（4）、轻按主机底部键盘鼠标盒，拉出键盘鼠标，输入用户名（Administrator）和密码（password）；
（5）、进入主机电脑系统，打开测试程序：Start→All Programs→DIFFRAC. MeasurementSuite→DIFFRAC.Measurement
（6）、等待几秒后，出现“Please Login”窗口，登录名选择“Lab Manager”，密码为空，直接点击“OK”进入测试软件界面；
（7）、轻拉主机球形把手打开前门，向下打开样品台，放入样品后再将样品台合上，最后向下拉关闭前门；
（8）、在主机背后将X-射线开关钥匙向顺时针旋转处于“X-ray on”状态，在测试软件中选择“COMMANDER”界面；
（9）、勾选“Requested”复选框，再点击“Init”按钮进行初始化；
（10）、在“Scan type”框内选择“Locked coupled”，设置扫描范围和步长；
（11）、开启“X-Ray Generator”处于“on”状态，点击“Start”开始测试；
（12）、测试完成后，点击保存按钮进行数据保存，格式为“Raw V3 File”或“txt”。
（13）、关机操作：关闭“X-Ray Generator”处于“off”状态；关闭所有软件程序；取出样品；关闭主机计算机，当屏幕出现“It is now safe to turn off your problems”时关闭主机背后电源开关。
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