说明书 发光元件、 其制造方法及其发光方法 技术领域

[1] 本发明属于发光材料技术领域， 具体涉及一种具有玻璃基材的发光材料的发光 元件、 其制造方法及其发光方法。

背景技术

[2] 传统的作为发光基体的材料包括荧光粉、 纳米晶体及玻璃等， 相对于晶体和荧 光粉而言， 玻璃具有透明、 坚硬及良好化学稳定性和优良的光学性质； 而且玻 璃更容易被加工成各种形状大小的产品， 如各种形状或尺寸的显示器件或照明 光源。

[3] 例如， 在真空微电子学领域中， 场发射器件通常利用发光玻璃作为发光体， 其 在照明及显示领域显示出了广阔的应用前景， 引起国内外研究机构的广泛关注 。 场发射器件工作原理是： 在真空环境下， 阳极相对场发射阴极阵列 （Field emissive

arrays , FEAs) 施加正向电压形成加速电场， 阴极发射的电子加速轰向阳极板上 的发光材料而发光。 场发射器件的工作温度范围宽 （-40°C~80°C) 、 响应吋间 短 （<lms) 、 结构简单、 省电， 符合绿色环保要求。 另外， 荧光粉体、 发光玻 璃、 发光薄膜等材料都可以在场发射器件中作为发光材料使用， 但它们都存在 发光效率低这一本质问题， 极大限制了场发射器件的应用， 特别是在照明领域 的应用。

对发明的公开

技术问题

[4] 有鉴于此， 本发明提供一种具有发光均匀性高、 发光效率高、 稳定性好、 结构 简单的发光元件， 以及一种制备工艺简单、 成本低的发光元件制造方法。

[5] 本发明还提供一种操作简便、 方便可靠、 大大增强发光材料发光效率的发光元 件发光方法。

技术解决方案 [6] 一种发光元件

， 其包括发光基体， 所述发光基体的表面设有一金属层， 所述金属层具有金属 显微结构， 所述发光基体包含化学成分为 Y ₂Si0 _{5 :} Tb的发光材料。

[7] 一种发光元件制造方法， 其包括如下步骤：

[8] 制备发光基体， 所述发光基体包含化学成分为 Y ₂Si0 _{5 :} Tb的发光材料；

[9] 在所述发光基体的表面形成一金属层； 及

[10] 将所述发光基体及金属层在真空下进行退火处理， 使所述金属层形成金属显微 结构， 冷却后形成所述的发光元件。

[11] 以及， 一种发光元件的发光方法， 其包括如下步骤：

[12] 按照上述发光元件制造方法获得发光元件； 及

[13] 对金属层发射阴极射线， 在阴极射线激发下金属层与发光玻璃之间形成表面等 离子体， 使发光玻璃发光。

有益效果

[14] 在上述发光元件中， 通过釆用在发光基体上设置一层具有显微结构的金属层， 该金属层能在阴极射线下与发光基体之间的界面形成表面等离子体， 通过表面 等离子体效应， 使发光基体的内量子效率大大提高， 即发光玻璃的自发辐射增 强， 进而大大增强了发光基体的发光效率， 从而解决发光材料发光效率低这一 问题。 因而， 在发光元件的发光方法中， 只需对金属层发射阴极射线， 金属层 与发光基体之间形成表面等离子体， 以增强发光基体发光效率， 提高其发光可 靠性。 由于发光元件包括发光基体和金属层， 这种双层结构简单， 同吋， 在发 光基体和金属层间有均匀界面， 从而表现出很高的发光均匀性和稳定性。

在发光元件的发光方法中， 只需对金属层发射阴极射线， 金属层与发光玻璃之 间形成表面等离子体， 即能大大增强发光玻璃的发光效率， 提高其发光可靠性

[15] 上述的发光元件制备方法中， 只需要在发光玻璃上形成一层金属层， 然后经过 退火处理， 即可获得所述发光元件， 该制备方法工艺简单、 降低成本， 具有广 阔的生产应用前景。

附图说明 [16] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明， 附图中：

[17] 图 1是本发明实施例的发光元件结构示意图；

[18] 图 2是本发明实施例的发光元件制备方法流程图；

[19] 图 3是本发明实施例的发光元件的发光方法流程图；

[20] 图 4是实施例 1的发光元件与未加金属层的发光玻璃对比的发光光谱图， 阴极射 线发光光谱测试条件为： 电子束激发的加速电压为 5KV。

本发明的实施方式

[21] 为了使本发明的目的、 技术方案及优点更加清楚明白， 以下结合附图及实施例 ， 对本发明进行进一步详细说明。 应当理解， 此处所描述的具体实施例仅仅用 以解释本发明， 并不用限定本发明。

[22] 请参阅图 1， 示出本发明实施例的发光元件 10， 其包括发光基体 13以及设于发 光基体 13表面的金属层 14。 金属层 14具有金属显微结构， 该金属显微结构有吋 也称为微纳结构。 进一步， 该金属显微结构是非周期性的， 即由无规则排列的 金属晶体构成。

[23] 在本发明的一个实施例中， 该发光基体 13可以是惨杂有 Y ₂Si0 _{5 :} Tb发光材料的 发光玻璃， 所述玻璃的组成及其组份的摩尔份数为 20Na ₂O-20BaO-30B ₂O ₃-30SiO ₂ ， 玻璃釆用低熔点的玻璃粉， 并不限于此处描述的玻璃材质。 其中， Y ₂Si0 _5: T b发光材料在发光基体中所占的质量百分比为 5%~35%。

[24] 在本发明的另一个实施例中， 该发光基体 13包括透明或半透明基片和形成于基 片上的化学成分为 Y ₂Si0 _5: Tb的发光薄膜， 金属层 14形成于发光薄膜表面。

[25] 其中， 金属层 14可以是由化学稳定性良好的金属， 例如不易氧化腐蚀的金属， 另外也可以是常用的金属， 优选为金、 银、 铝、 铜、 钛、 铁、 镍、 钴、 铬、 铂 、 钯、 镁、 锌中的至少一种金属形成的， 更优选为由金、 银、 铝中的至少一种 金属形成的。 金属层 14中的金属物种可以是它们的单金属或者复合金属。 复合 金属可以是上述金属两种或两种以上的合金， 例如， 金属层 14可以是银铝合金 层或金铝合金层， 其中银或金的重量分数优选为 70%以上。 金属层 14的厚度优选 为 0.5纳米〜 200纳米， 更优选为 1纳米〜 100纳米。

[26] 上述发光元件 10作为发光元件， 可广泛应用于超高亮度和高速运作的发光器件 上， 例如场发射显示器、 场发射光源或大型广告显示牌等产品中。 以场发射显 示器为例， 阳极相对场发射阴极阵列施加正向电压形成加速电场， 阴极发射的 电子， 即对金属层 14发射阴极射线 16， 具有显微结构的金属层 14与发光基体 13 之间形成表面等离子体， 通过表面等离子体效应， 使发光基体 13的内量子效率 大大提高， 即发光玻璃的自发辐射增强， 进而大大增强了发光基体的发光效率 ， 从而解决发光材料发光效率低这一问题。 另外， 由于是发光基体 13表面形成 一层金属层， 整个金属层与发光基体 13之间形成均匀界面， 可以提高发光的均 匀性。

[27] 请参阅图 1和 2， 说明本发明实施例的发光元件制造方法的流程， 该制造方法包 括如下步骤：

[28] S01 : 制备发光基体 13， 发光基体 13包含化学成分为¥ ₂810 _5: Tb的发光材料； [29] S02: 在发光基体 13的表面形成一金属层 14; 及

[30] S03: 将发光基体 13及金属层 14在真空下进行退火处理， 使金属层 14形成金属 显微结构， 冷却后形成发光元件 10。

[31] 在步骤 S01中， 对应上面描述的发光基体 13的两种结构： 第一种为惨杂有¥ ₂810 5： Tb发光材料的发光玻璃， 第二种为¥ ₂810 _5: Tb发光薄膜形成于基片上。 第一 种发光基体 13的制备方法包括如下步骤： 将¥ ₂810 _5: Tb发光材料与玻璃粉混合 ， 然后在 1000-1300°C温度下熔融， 冷却至室温， 得到惨杂有 Y ₂Si0 _{5 :} Tb 发光材料的发光玻璃， 其中， 玻璃粉组成及其组份的摩尔份数为 20Na ₂O-20BaO- 30B ₂O ₃-30SiO ₂。 其中， Y ₂Si0 _{5 :} Tb发光材料也为粉状物， 其与玻璃粉按照质量 比例为 1 : 19〜7： 13进行混合， 混合后 Y ₂Si0 _5: Tb发光材料占混合物的质量百 分比例为 5%~35%， 然后在 1000-1300°C温度下熔融， 倒在钢板上冷却至室温， 得到所需的基体 13。 温度优选为 1200°C。

[32] 第二种发光基体 13的制备方法包括如下步骤： 选用半透明或透明基片为衬底， 在衬底上形成 Y ₂Si0 ₅： Tb发光薄膜。 其中， Y ₂Si0 _{5 :} Tb

发光薄膜釆用磁控溅射、 电子束蒸发、 化学气相沉积、 分子束外延、 脉冲激光 沉积或喷雾热分解等方法在衬底上沉积形成。

[33] 与前面描述的结构相类似， 此处形成金属层 14可以是釆用化学稳定性良好的金 属材质源沉积形成， 例如不易氧化腐蚀的金属， 另外也可以是常用的金属， 优 选为金、 银、 铝、 铜、 钛、 铁、 镍、 钴、 铬、 铂、 钯、 镁、 锌中的至少一种金 属， 更优选为由金、 银、 铝中的至少一种金属。 在步骤 S02中， 该金属层 14是通 过将上述至少一种金属通过物理或化学气相沉积法形成于发光基体 13表面， 例 如但不限于用溅射或蒸镀方法形成于发光基体 13的表面。 金属层 14的厚度优选 为 0.5纳米〜 200纳米， 更优选为 1纳米〜 100纳米。

[34] 步骤 S03具体如下： 在发光基体 13表面形成金属层 14后， 在 50°C~650°C下进行 真空退火处理， 退火吋间为 5分钟〜 5小吋， 然后自然冷却至室温。 其中， 退火 温度优选为 100°C~500°C， 退火吋间优选为 15分钟〜 3小吋。

[35] 请参阅图 1和 3， 说明本发明实施例的发光元件发光方法的流程， 该发光方法包 括如下步骤：

[36] S11 : 按照前述发光元件制造方法获得发光元件 10;

[37] S12: 对金属层 14发射阴极射线 16， 在阴极射线 16的激发下， 金属层 14与发光 基体 13之间形成表面等离子体， 使发光基体 13发光。

[38] 发光元件 10具有前面描述各种结构及组份等特征。 在实际应用中， 实现步骤 S1 2可以釆用场发射显示器或照明光源， 在真空环境下， 阳极相对场发射阴极阵列 施加正向电压形成加速电场， 阴极发射阴极射线 16， 在阴极射线 16的激发下， 电子束首先穿透金属层 14进而激发发光基体 13发光， 在这个过程中， 金属层 14 与发光基体 13的界面上产生了表面等离子体效应， 通过该效应使发光基体 13的 内量子效率大大提高， 即发光材料的自发辐射增强， 进而大大增强了发光材料 的发光效率。

[39] 如上所述， 发光基体 13具有两种结构， 在第一种结构中， 电子束穿透金属层 14 进而激发惨杂在发光玻璃中的¥ ₂810 _5: Tb发光， 表面等离子体在有惨杂¥ ₂810 _{5 :} Tb的发光玻璃表面与金属层 14之间形成， 促进 Y ₂Si0 _{5 :} Tb发光材料的发光。 在 第二种结构中， 电子束穿透金属层 14， 直接激发^810 _{5 :} Tb发光薄膜 ， 表面等离子体在¥ ₂810 _5: Tb发光薄膜与金属层 14之间形成， 促进 Y ₂Si0 _{5 :} Tb的 发光。

[40] 表面等离子体 （Surface Plasmon, SP) 是一种沿金属和介质界面传播的波， 其振幅随离开界面的距离而 指数衰减。 当改变金属表面结构吋， 表面等离子体激元 （Surface plasmon polaritons, SPPs)

的性质、 色散关系、 激发模式、 耦合效应等都将产生重大的变化。 SPPs引发的 电磁场， 不仅仅能够限制光波在亚波长尺寸结构中传播， 而且能够产生和操控 从光频到微波波段的电磁辐射， 实现对光传播的主动操控。 因此， 本实施例利 用该 SPPs的激发性能， 增大发光基体的光学态密度和增强其自发辐射速率； 而 且， 可利用表面等离子体的耦合效应， 当发光基体发出光吋， 能与其发生耦合 共振效应， 从而大大提高发光基体的内量子效率， 提高发光基体的发光效率。

[41] 以下通过多个实施例来举例说明发光元件的不同组成及其制备方法， 以及其性 能等方面。 在以下各个实施例中， Y ₂Si0 _5: Tb发光材料可釆用市售商品， 直接 加以利用。

[42] 实施例 1

[43] 将 Y ₂Si0 _{5 :} Tb荧光粉与玻璃粉 （组成及其组份的摩尔份数为 20Na ₂O-20BaO-30 B ₂O ₃-30SiO ₂) 按照质量比例 1 : 4进行混合、 熔融， 制得惨杂有 Y ₂Si0 _{5 :} Tb发光 材料的发光玻璃。 然后利用磁控溅射设备在发光玻璃表面沉积厚度为 2nm的金属 银层， 然后将其置于真空度小于 lxlO-3Pa的真空环境下， 以 300°C的温度退火处 理半小吋， 然后冷却至室温， 即得到本实施例的发光元件。

[44] 对上述制备的发光元件进行光谱测试， 用电子枪产生的阴极射线轰击该发光元 件， 电子束首先穿透金属层进而激发惨杂有 Y ₂Si0 _5: Tb的发光玻璃发光， 产生 如图 4所示的发光光谱， 图中光谱显示发光材料为绿光发光材料。 图中曲线 11为 未加金属银层吋发光玻璃的发光光谱图； 曲线 12为本实施例制备的附加了金属 结构的发光元件的发光光谱图， 从图中可以看到， 由于金属层与发光玻璃之间 产生了表面等离子体效应， 相对于未加金属层吋发光玻璃， 本实施例的附加了 金属结构的发光玻璃从 350nm到 700nm的发光积分强度是未加金属层吋发光玻璃 发光积分强度的 4倍， 使发光性能得到极大提高。

[45] 以下各个实施例的发光光谱图都与实施例 1相类似， 各发光元件也具有类似的 发光强度效果， 在下面不再赞述。 [46] 实施例 2

[47] 将 Y ₂Si0 _{5 :} Tb荧光粉与玻璃粉 （组成及其组份的摩尔份数为 20Na ₂

O-20BaO-30B ₂O ₃-30SiO ₂) 按照质量比例 1 : 19进行混合、 熔融， 制得惨杂有 Y ₂Si 0 ₅： Tb发光材料的发光玻璃。 然后利用磁控溅射设备在发光玻璃表面沉积厚度 为 0.5nm的金属金层， 然后将其置于真空度小于 lxlO- ³Pa的真空环境下， 以 200°C 的温度退火处理 1小吋， 然后冷却至室温， 得到本实施例的发光元件。

[48] 实施例 3

[49] 将 Y ₂Si0 _{5 :} Tb荧光粉与玻璃粉 （组成及其组份的摩尔份数为 20Na ₂O-20BaO-30 B ₂O ₃-30SiO ₂) 按照质量比例 7: 13进行混合、 熔融， 制得惨杂有 Y ₂Si0 _{5 :} Tb发光 材料的发光玻璃。 然后利用磁控溅射设备在发光玻璃表面沉积厚度为 200nm的金 属铝层， 然后将其置于真空度小于 lxlO-3Pa的真空环境下， 以 500°C的温度退火 处理 5小吋， 然后冷却至室温， 得到本实施例的发光元件。

[50] 实施例 4

[51] 选择大小为 lxlcm2双面抛光的蓝宝石衬底， 用磁控溅射方法在衬底上制得¥ ₂ 0 ₅： Tb发光薄膜， 利用电子束蒸发设备在发光薄膜表面沉积厚度为 lOOnm的金属 镁层， 然后将其置于真空度小于 lxlO-3Pa的真空环境下， 以 650°C的温度退火处 理 5分钟， 然后冷却至室温， 得到本实施例的发光元件。

[52] 实施例 5

[53] 选择大小为 lxlcm2双面抛光的氧化镁衬底， 用分子束外延方法在衬底上制得 Y ₂ Si0 ₅: Tb发光薄膜， 利用电子束蒸发设备在发光薄膜表面沉积厚度为 lnm的金属 钯层， 然后将其置于真空度小于 lxlO-3Pa的真空环境下， 以 100°C的温度退火处 理 3小吋， 然后冷却至室温， 得到本实施例的发光元件。

[54] 实施例 6

[55] 选择大小为 lxlcm2双面抛光的氧化镁衬底， 用喷雾热分解方法在衬底上制得 Y ₂ Si0 ₅: Tb发光薄膜， 利用电子束蒸发设备在发光薄膜表面沉积厚度为 5nm的金属 铂层， 然后将其置于真空度小于 lxlO- ³P _a的真空环境下， 以 450°C的温度退火处 理 15分钟， 然后冷却至室温， 得到本实施例的发光元件。

[56] 实施例 7 [57] 选择大小为 lxlcm2双面抛光的石英衬底， 用磁控溅射方法在衬底上制得¥ ₂810 ₅ ： Tb发光薄膜， 利用电子束蒸发设备在发光薄膜表面沉积厚度为 20nm的金属铁 层， 然后将其置于真空度小于 lxlO-3Pa的真空环境下， 以 50°C的温度退火处理 5 小吋， 然后冷却至室温， 得到本实施例的发光元件。

[58] 实施例 8

[59] 选择大小为 lxlcm2双面抛光的石英衬底， 用磁控溅射方法在衬底上制得¥ ₂810 ₅ ： Tb发光薄膜， 利用电子束蒸发设备在发光薄膜表面沉积厚度为 10nm的金属钛 层， 然后将其置于真空度小于 lxlO- ³Pa的真空环境下， 以 150°C的温度退火处理 2 小吋， 然后冷却至室温， 得到本实施例的发光元件。

[60] 实施例 9

[61] 选择大小为 lxlcm2双面抛光的石英衬底， 用磁控溅射方法在衬底上制得¥ ₂810 ₅ ： Tb发光薄膜， 利用电子束蒸发设备在发光薄膜表面沉积厚度为 50nm的金属铜 层， 然后将其置于真空度小于 lxlO-3Pa的真空环境下， 以 200°C的温度退火处理 2. 5小吋， 然后冷却至室温， 得到本实施例的发光元件。

[62] 实施例 10

[63] 选择大小为 lxlcm2双面抛光的石英衬底， 用磁控溅射方法在衬底上制得¥^0 ₅ ： Tb发光薄膜， 利用电子束蒸发设备在发光薄膜表面沉积厚度为 150nm的金属锌 层， 然后将其置于真空度小于 lxlO-3Pa的真空环境下， 以 350°C的温度退火处理 0. 5小吋， 然后冷却至室温， 得到本实施例的发光元件。

[64] 实施例 11

[65] 选择大小为 lxlcm2双面抛光的石英衬底， 用磁控溅射方法在衬底上制得¥ ₂810 ₅ ： Tb

发光薄膜， 利用电子束蒸发设备在发光薄膜表面沉积厚度为 120nm的金属铬层， 然后将其置于真空度小于 lxlO-3Pa的真空环境下， 以 250°C的温度退火处理 2小吋 ， 然后冷却至室温， 得到本实施例的发光元件。

[66] 实施例 12

[67] 选择大小为 lxlcm2双面抛光的石英衬底， 用磁控溅射方法在衬底上制得¥ ₂810 ₅ ： Tb发光薄膜， 利用电子束蒸发设备在发光薄膜表面沉积厚度为 40nm的金属镍 层， 然后将其置于真空度小于 lxlO-3Pa的真空环境下， 以 80°C的温度退火处理 4 小吋， 然后冷却至室温， 得到本实施例的发光元件。

[68] 实施例 13

[69] 选择大小为 lxlcm2双面抛光的石英衬底， 用磁控溅射方法在衬底上制得¥ ₂810 ₅ ： Tb发光薄膜， 利用电子束蒸发设备在发光薄膜表面沉积厚度为 180nm的金属钴 层， 然后将其置于真空度小于 lxlO- ³Pa的真空环境下， 以 400°C的温度退火处理 1 小吋， 然后冷却至室温， 得到本实施例的发光元件。

[70] 实施例 14

[71] 将¥ ₂ 0 _{5 :} Tb荧光粉与玻璃粉 （组成及其组份的摩尔份数为 20Na ₂O-20BaO-30 B ₂O ₃-30SiO ₂) 按照质量比例 3: 17进行混合、 熔融， 制得惨杂有 Y ₂Si0 _{5 :} Tb发光 材料的发光玻璃。 然后利用磁控溅射设备在发光玻璃表面沉积厚度为 0.5nm的金 属金铝层， 在金铝层中， 金和铝的质量分数分别约为 80%和 20% , 然后将其置于 真空度小于 lxlO-3Pa的真空环境下， 以 200°C的温度退火处理 1小吋， 然后冷却至 室温， 得到本实施例的发光元件。

[72] 实施例 15

[73] 将 Y ₂Si0 _{5 :} Tb荧光粉与玻璃粉 （组成及其组份的摩尔份数为 20Na ₂O-20BaO-30 B ₂O ₃-30SiO ₂) 按照质量比例 3: 7进行混合、 熔融， 制得惨杂有 Y ₂Si0 _{5 :} Tb发光 材料的发光玻璃。 然后利用磁控溅射设备在发光玻璃表面沉积厚度为 15nm的金 属银铝层， 在银铝层中， 银和铝的重量份数分别约为 90%和 10% , 然后将其置于 真空度小于 lxlO-3Pa的真空环境下， 以 200°C的温度退火处理 1小吋， 然后冷却至 室温， 得到本实施例的发光元件。

[74] 实施例 16

[75] 选择大小为 lxlcm2双面抛光的石英衬底， 用磁控溅射方法在衬底上制得¥ ₂810 ₅ ： Tb发光薄膜， 利用电子束蒸发设备在发光薄膜表面沉积厚度为 10nm的金属银 铝层， 在银铝层中， 银和铝的重量份数分别约为 80%和 20% , 然后将其置于真空 度小于 lxlO- ³Pa的真空环境下， 以 150°C的温度退火处理 2小吋， 然后冷却至室温 ， 得到本实施例的发光元件。

[76] 实施例 17 [77] 选择大小为 lxlcm2双面抛光的氧化镁衬底， 用磁控溅射方法在衬底上制得¥ ₂ 0 ₅： Tb发光薄膜， 利用电子束蒸发设备在发光薄膜表面沉积厚度为 lOnm的金属 金铝层， 在金铝层中， 金和铝的重量份数分别为 90%和 10% , 然后将其置于真空 度小于 lxlO-3Pa的真空环境下， 以 150°C的温度退火处理 2小吋， 然后冷却至室温 ， 得到本实施例的发光元件。

[78] 在以上描述的各实施例中， 釆用在发光基体 13上设置一层具有显微结构的金属 层 14， 该金属层 14能在阴极射线下与发光基体 13之间的界面形成表面等离子体 ， 通过表面等离子体效应， 使发光基体 13的内量子效率大大提高， 使得发光材 料的自发辐射增强， 进而大大增强了发光材料的发光效率， 从而解决发光材料 发光效率低这一问题。 在发光元件的发光方法中， 只需对金属层 14发射阴极射 线， 金属层 14与发光基体 13之间形成表面等离子体， 以增强发光基体 13的发光 效率， 提高其发光可靠性。 由于发光元件 10包括发光基体 13和金属层 14， 这种 双层结构简单， 同吋， 在发光基体 13和金属层 14间有均匀界面， 从而表现出很 高的发光均匀性和稳定性。 在发光元件的发光方法中， 只需对金属层 14发射阴 极射线， 金属层 14与发光基体 13之间形成表面等离子体， 即能大大增强发光基 体 13的发光效率， 提高其发光可靠性。

[79] 在本发明实施例的发光元件制备方法中， 只需要在发光基体 13上形成一层金属 层 14， 然后经过退火处理， 即可获得所需发光元件 10， 该制备方法工艺简单、 降低成本， 具有广阔的生产应用前景， 尤其可用在超高亮度和高速运作的发光 器件上， 如场发射显示器。

[80] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明， 凡在本发明的 精神和原则之内所作的任何修改、 等同替换和改进等， 均应包含在本发明的保 护范围之内。