Spectroscopic studies of Mn/Eu doped phosphates, silicates and borates

Abstract

Lighting consumes about 23% of electric energy nationwide. Any improvement in lighting efficiency will lead to huge benefits for our society. The first generation of light sources was the incandescent lamp with an energy efficiency of only 5%, and has been replaced gradually by fluorescence lamps with an energy efficiency of more than 28%. Further improvement of fluorescent lamps now encounters a bottleneck. New lighting physics concepts have been explored within the last two decades. These include quantum cutting phosphor fluorescent lamps which have become very competitive due to their high energy efficiency, low cost, small volume and weight, and long lifetime. Currently, most commercial LEDs’ light sources are single color. For white LED sources, the most promising devices are phosphor-coated LEDs, in which LEDs emission is down- converted to white light. There are two kinds of designs: (a) blue LEDs plus yellow phosphors and (b) UV LEDs plus tricolor phosphors. The purpose of this project is to search for efficient phosphors which can be used as LED-phosphors white light sources. Three groups of materials were examined: (a) phosphates, M2P2O7 (M=Mg, Ca, Sr, Ba); (b) silicates, A2MSi2O7 (A= Sr or Ba, and M=Mg or Zn); and borates Ba2MgB2O6 and LiBa2BB5O10. These materials are single or double doped with Eu2+ and Mn2+. All phosphors were prepared with standard ceramic technology. X-ray diffraction, photoluminescence, temperature dependence of luminescence, and the excitation spectrum of phosphors were studied. Various results were found: first, that efficient energy transfer was observed from Eu2+ to Mn2+. This energy transfer allows the red emission of Mn2+ to be enhanced by sensitization with Eu2+. Secondly, in Mg2P2O7:Eu2+,Mn2+ and Sr2MgSi2O7:Eu2+,Mn2+, strong emission bands in blue and red were found under UV excitation. The phosphor then provides two basic colors. This could be an interesting application for LED-tricolor phosphor devices. Thirdly, a strong green emission was detected in Ba2ZnSi2O7 doped with Eu2+ or Eu2+/Mn2+ and Ba3ZnSi2O8 doped with Eu2+ or Eu2+/Mn2+. These phosphors can be used as the green component for LED-phosphor white light devices. Fourthly, Ba2MgB2O6:Eu2+ has strong a orange emission near 600nm that can be used to improve color rendering in LED-phosphors devices. Finally, LiBa2BB5O10:Eu2+ showed a blue- green emission, instead of a red emission previously reported in the literature. Although the blue-green emission may not be an ideal green component for the tricolor system, this strong UV emission provides a clue indicating that the host might be a good wide band gap semiconductor. In addition, the energy level assignments for Mn2+ and Eu2+, energy transfer between Eu and Mn, and the blue-shift of Eu emission bands are discussed. A modified single coordinate configuration for Eu2+ is proposed to explain the blue-shift of Eu2+ crystalline hosts.

La iluminación consume 23% de la energía nacional, por lo tanto cualquier mejora en la eficiencia de las técnicas de iluminación sería de gran beneficio a nuestra sociedad. La primera generación de fuentes de luz lo fueron las bombillas incandescentes con una eficiencia de energía de solo 5%. Éstas han sido remplazadas gradualmente por las fluorescentes con una eficiencia de 28%. Muchos conceptos físicos referentes a iluminación han sido estudiados en las últimas dos décadas. Entre ellos están las bombillas de fósforos de corte cuántico, las cuales se han vuelto comercialmente muy competitivas debido a su alta eficiencia, bajo costo, pequeño peso y tamaño y larga duración. Actualmente, la mayoría de las fuentes de luz LEDs, disponibles comercialmente, tienen un solo color. En el caso de fuentes de luz LED blanca, los dispositivos más prometedores son los LEDs cubiertos de fósforos, en el cual la emisión LED es convertida en luz blanca. Hay dos tipos de diseños: (a) LEDs azules con fósforos amarillos y (b) LEDs UV con fósforos tricolor. El propósito de este proyecto es buscar fósforos de alta eficiencia que puedan ser usados como fuentes de luz blanca de fósforos-LED. Los tres grupos de materiales que se investigaron fueron: (a) fosfatos, M2P2O7 (M=Mg, Ca, Sr, Ba); (b) silicatos, A2MSi2O7 (A= Sr or Ba, and M=Mg or Zn); y boratos Ba2MgB2O6 y LiBa2BB5O10. Estos eran dopados o co-dopados con Eu2+ y Mn2+. Todos los fósforos fueron preparados con tecnología de cerámica estándar. Fueron estudiados los espectros de difracción de rayos- X, la fotoluminiscencia, la dependencia de la luminiscencia respecto a la temperatura y los espectros de excitación de los fósforos. Se encontraron varios resultados: primero, se observó transferencia de energía eficiente de Eu2+ a Mn2+. Esta transferencia de energía proveía la oportunidad de mejorar la emisión roja de Mn2+ a través de la sensibilización con Eu2+. Segundo, que Mg2P2O7:Eu2+, Mn2+ y Sr2MgSi2O7:Eu2+, Mn2+, tienen una emisión intensa en rojo y azul bajo excitación de rayos UV. Estos fósforos entonces proveen dos de los colores básicos. Esto es muy interesante para aplicaciones en dispositivos de fósforos-LED. En tercer lugar, emisión verde fue detectada en Ba2ZnSi2O7 dopado con Eu2+ o Eu2+/Mn2+ y Ba3ZnSi2O8 dopado con Eu2+ o Eu2+/Mn2+. Estos fósforos pueden ser usados como el componente verde para fuentes de luz blanca con LED-fósforos. Cuarto, Ba2MgB2O6:Eu2+ tiene una emisión en anaranjado (600nm) muy intensa y puede ser utilizado para mejorar el índice de representación de color en los dispositivos de fósforos-LED. Y por último, nuestra muestra de LiBa2BB5O10:Eu2+ mostró emisión verde-azul, en vez de la emisión roja reportada en la literatura. Aunque la emisión verde-azul no es la idónea para el sistema tricolor, la intensa emisión UV observada provee una buena clave que indica que el material que provee las celdas cristalinas puede ser un buen semiconductor con espacio de banda ancha. Finalmente se discute, la asignación de niveles de energía para Mn2+ y Eu2+, la transferencia de energía entre Eu y Mn, y el desplazamiento al azul de las bandas de emisión de Eu. Se propone unas coordenadas de configuración modificadas para Eu2+ para explicar el desplazamiento al azul de Eu2+ en las celdas cristalinas.