LED稀土荧光材料的表面等离子体荧光增强的研究.docx

LED稀土荧光材料的表面等离子体荧光增强的研究
LED稀土荧光材料的表面等离子体荧光增强的研究
摘要：
本文介绍了基于表面等离子体效应增强LED稀土荧光材料的研究进展。稀土离子在材料中的荧光效应从一定程度上影响LED器件的性能和发光品质，因此研究如何提高稀土离子的荧光效率是十分有意义的。本文重点讨论了表面等离子体荧光增强机制，并综述了利用表面等离子体增强稀土荧光的研究成果和应用前景。
关键词：LED，稀土荧光材料，表面等离子体，荧光增强
引言：
LED是一种高效、环保的照明器件，具有长寿命、耐震动、低功耗、低电压和体积小等优点。但是，传统的LED光源的色彩还原和色温控制存在一定的难度，在优化LED发光器件的色彩还原和色温控制中，引入荧光材料对LED光源发光的色彩还原和色温调节能力有重要的帮助。稀土离子由于具有特定的发光机理，例如，Eu3+、Tb3+和Ce3+等离子具有强的激发态到基态的放射转移，在荧光照明、LED显示、荧光传感器和钞票反假等领域有广泛应用。然而，稀土荧光材料的内部量子效率往往较低，为了提高发光效率，不断地加大所需的激发功率或者改进材料的微结构。在此背景下，表面等离子体技术被引入稀土荧光材料中，通过表面等离子体的荧光增强效应提高稀土荧光的发光效率。表面等离子体的激发与离子的距离非常接近，当离子激发时，离子的发光被地面等离子体捕获并放大。
表面等离子体荧光增强机制：
表面等离子体是介于高阶真空和等比色康普顿区之间的等离子相。表面等离子体是在金属、半导体等导电材料表面上，在外界电场作用下，通过电热发射、电子轰击、激光辐射等激励方式激发出来的强电磁场。表面等离子体中电磁波在金属表面上反复反射和透射形成了一定的局域化，并促使所依附的分子或原子列产生共振能级结构，因而调制了材料内部的光学性质。
等离子散射介质的荧光增强机制与其质量因子有关。当光波与等离子散射介质相互作用，产生的表面等离子体相对大小为激发波长的λ/2，其中λ是光波长度。由于表面等离子体具有纵向和横向两个耦合模，横向模式的质量因子很小，所以大量的光被沿垂直于表面等离子体方向强烈限制和捕获，也就是说，表面准粒子在垂直于表面方向的电场强度最大。
表面等离子体的荧光增强效应可以用荧光增量来量化。荧光增量指在有表面等离子体介质的条件下，相同的激发功率下的发光强度与无表面等离子体的发光强度之比。当离子激发时，地面等离子体产生局部反常高强度强电场，离子产生的荧光被地面所捕获，使其只描述于金属层中，因此荧光增量非常大，这是表面等离子体技术应用于提高发光效率的重要原因。
利用表面等离子体增强LED稀土荧光的研究成果：
随着表面等离子体技术的不断发展，人们提出了很多可以利用此技术来提高稀土荧光材料效率的方案。
1.利用有序个人纳米阵列结构体系制备表面等离子体增强的荧光薄膜。
研究人员采用有序个人纳米阵列结构体系制备表面等离子体增强的荧光薄膜。该薄膜由三层组成，最上层是稀土荧光层，中间层是二氧化硅介质层，下层是具有良好耐腐蚀性的不锈钢基板。通过控制硅中的纳米孔的大小和间距，可以调整表面等离子体的共振模式，进而控制荧光增强效果。研究人员在Eu3+荧光层薄膜中发现了较大的荧光增量，验证了表面等离子体荧光增强的有效性，进一步为光电器件应用提供了可行的解决方案。
2.利用可控形态制备Pd金属纳米结构的增强荧光材料。
利用气相还原法和可控形态过渡金属纳米结构，形成Pd纳米棒是实现表面等离子体增强的一种有效方式。在Pd纳米结构上可以形成荧光自发辐射场，在荧光离子的激发下形成表面等离子体，对荧光进行增强。该方法通过控制Pd纳米结构的大小形态等参数，可以控制表面等离子体效应的强度和空间定位，从而实现选择性增强稀土荧光。
3.纳米光窒息技术在LED稀土荧光材料增强方面的应用。
纳米光窒息技术可以通过金属纳米线等的置换组建，建立广泛的局域表面等离子体共振模式，进而调制器件的发光性质，提高发光效率。例如，湖南大学荧光光谱研究组采用纳米摇杆阵列结构实现了稀土荧光增强，有效地对光场进行局域化调制，提高了荧光强度和寿命周期。纳米光窒息技术的应用，为提高稀土荧光的发光效率提供了新的思路。
结论：
表面等离子体技术在提高LED稀土荧光材料发光效率方面具有重要作用。通过表面等离子体的捕获放大效应，可以放大靠近金属表面的稀土离子的荧光强度，因此提高了稀土离子的发光效率。利用纳米结构可控制荧光自发辐射场或纳米窒息技术在稀土荧光增强方面的探索获得了较好的效果，为未来的稀土荧光增强研究和光电器件应用提供了新的方案和思路。