一种功能化合物及其制备方法

本发明涉及一种功能化合物及其制备方法，属于功能材料领域。

功能材料是指在电、磁、声、光、热等方面具有特殊性质,或在其作用下表现出特殊功能的材料，被誉为21世纪人类文明的重要支柱，尤其是稀土功能材料，在各领域发挥着“工业维生素”的作用。

稀土功能材料主要有磁性材料、储氢材料、催化剂材料、功能陶瓷材料和发光材料等。稀土发光材料的优点是吸收能力强，转换率高，可以发射出从紫外到红外的光谱，且在可见光区域有很强的发射能力，在工业、日常生活等领域发挥重要作用。目前,稀土发光材料主要用于彩电显像管、计算机显示器、医疗设备、照明等方面。随着显示和照明等技术的变革，人们对发光材料的要求也逐渐提高，包括对其寿命、化学稳定性和发射波长的要求等。

白光发光二极管作为一种新型固态光源，具有无污染、效率高、能耗低、寿命长、环境适应性强、结构简单、体积小、质量轻、响应快、工作电压低及安全性好等优点，被誉为第四代照明电光源。目前从技术、性能和成本等综合因素考虑，蓝光发光二极管芯片加黄发光化合物因技术成熟度高、成本相对较低，是白光产生的主流方式（US 5998925, US6069440, US7071616 )。但该方法存在的最大问题是红光的缺失导致白光的显性较差。为改善白光应用于照明领域时的显性，还需要加入能够发射红光的化合物。

目前，可供选择的此类发光材料的种类较多，如硫化物、硫氧化物、钨酸盐、钼酸盐、以及铝酸盐体系。但是以这些化合物为基体，并在该基体中掺杂少量稀土离子作为发光中心得到的发光材料的热稳定性、化学稳定性以及发光性能相对较差，已经越来越难以满足照明新技术发展的要求。

综合化学稳定性、发光效率以及温度猝灭等性能，含硅、氮的化合物因为其具有紧密的网络结构，且氮成键能力强，因此该类化合物具有较好的物理、化学稳定性以及发光性能，是高品质白光二极管照明器件中较理想的发光组分（C03800454.2，C00803011.1，C200510052522.7，C200710159944.3）。

从目前的技术发展状况来看，此类硅氮化合物在发光亮度和热稳定性能方面还需要进一步提高，虽然一些研究者也对此类化合物在上述方面进行了改进（C200910147787.3，C201010276384.1，201210225499.7），但是并没有达到较理想的程度，因此，对该体系的化合物进行进一步研究、改进以及开发具有重要意义。

本发明的目的：（1）提供一种发光效率更高，发光性能更稳定的功能化合物。（2）提供一种化合物的制备方法。

为了实现上述目的，本发明公开一种功能化合物，该化合物的化学式为：MmM’xSiyAzBwn，式中M为碱土金属元素的一种或几种，M’为稀土元素的一种或几种，A为ⅢA元素以及Y，Sc，Lu，La，Gd中的一种或几种，B为ⅤB元素中的一种或几种，0≤m≤4，0＜x≤1，1≤y≤7，0≤z≤3，0＜w≤1， n=2/3m+z+4/3y+k，(2x+3w)/3≤k≤(3x+5w)/3。

本发明的化合物中所述M为Ca，Sr，Ba，Mg中的一种或几种，M’为Eu，Ce，Dy，Sm，Tb，Pr，d，Pm，Gd，Ho，Er，Tm，Yb中的一种或几种，A为B，Al，Ga，In，Y，Sc，Lu，La，Gd中的一种或几种，B为V，b，Ta中的一种或几种，0≤m≤4，0＜x≤1，1≤y≤7，0≤z≤3，0＜w≤1， n=2/3m+z+4/3y+k，(2x+3w)/3≤k≤(3x+5w)/3。

本发明的化合物中所述M为Ca，Sr，Ba，Mg中的一种或几种，M’为Eu，Ce，Dy，Sm，Tb，Pr，d，Pm，Gd，Ho，Er，Tm，Yb中的一种或几种，A为B，Al，Ga，In，Y，Sc，Lu，La，Gd中的一种或几种，B为V。1＜m≤4，0＜x≤1，1≤y≤7，0≤z≤3，0＜w≤1， n=2/3m+z+4/3y+k，(2x+3w)/3≤k≤(3x+5w)/3。

本发明的化合物中所述M为Ca，Sr，Ba，Mg中的一种或几种，M’为Eu，Ce，Dy，Sm，Tb，Pr，d，Pm，Gd，Ho，Er，Tm，Yb中的一种或几种，A为B，Al，Ga，In，Y，Sc，Lu，La，Gd中的一种或几种，B为b。1＜m≤4，0＜x≤1，1≤y≤7，0≤z≤3，0＜w≤1，n=2/3m+z+4/3y+k，(2x+3w)/3≤k≤(3x+5w)/3。

本发明的化合物中所述M为Ca，Sr，Ba，Mg中的一种或几种，M’为Eu，Ce，Dy，Sm，Tb，Pr，d，Pm，Gd，Ho，Er，Tm，Yb中的一种或几种，A为B，Al，Ga，In，Y，Sc，Lu，La，Gd中的一种或几种，B为Ta。0＜m≤1.8，0＜x≤1，1≤y≤7，0≤z≤3，0＜w≤1，n=2/3m+z+4/3y+k，(2x+3w)/3≤k≤(3x+5w)/3，y+z+w＜5。

本发明的化合物中所述M为Ca，Sr，Ba，Mg中的一种或几种，M’为Eu，Ce，Dy，Sm，Tb，Pr，d，Pm，Gd，Ho，Er，Tm，Yb中的一种或几种，A为B，Al，Ga，In，Y，Sc，Lu，La，Gd中的一种或几种，B为V,b,Ta中的一种或几种。0＜m≤1.8，0＜x≤1，1≤y≤7，0≤z≤3，0＜w≤1，n=2/3m+z+4/3y+k，(2x+3w)/3≤k≤(3x+5w)/3，（y+z）/x≤5。

本发明的化合物的组成元素中优选M为Sr或Sr与其他金属元素的组合或为Ca或Ca与其他金属元素的组合。M’为Eu或Eu与其他金属元素的组合或优选为Ce或Ce与其他金属元素的组合。A为Al或Al与其他元素的组合或优选为La或La与其他元素的组合或优选为Y或Y与其他元素的组合。

本发明的化合物中含有过渡金属元素V，b和Ta中的一种或几种。过渡金属具有较高的电子密度，所以添加过渡金属以后可以表现出一些特殊性质。由于过渡金属的掺杂，致使化合物晶格扩张，产生Fermi能级附近态密度的重新分布，使得发光中心周围的晶体场环境发生改变。正是这种变化使掺杂过渡金属的硅氮化合物具有了独特的物理化学性质，进而影响该化合物发射峰的位置、发光强度及发光的稳定性。

本发明的化合物中还引入了B、Al、Ga等元素来补位或填隙，避免由过渡金属的引进带来较大的晶格畸变。通过这两组元素的引入促使材料的体系结构更加稳定，有效的改进了发光材料的温度特性。

本发明不仅确保实现了发光材料的高光效，而且大幅提高了材料的物理与化学的稳定性、增加了发光材料的发射光谱的半宽度，同时本发明的化合物具有更宽的有效激发波长范围，能够很好地与蓝光LED芯片匹配。

本发明为了获得不同的发射波长，通过调节其分子式中M 所代表的金属元素的种类和比例来调节其发射主峰，另外，本发明功能化合物发射主峰位置的调节也可以通过改变稀土离子（M’）的种类与比例来实现。例如，当稀土元素为Eu时，减少Eu的含量，发光中心减少，发射主峰蓝移。为了使发光效果最佳，本发明发光材料分子式中的M 至少为Sr或Ca中的一种或两种，M’为Eu。

本发明的功能化合物可以通过如下方法制备：

（1）合成原料包括M，M’，A，B，Si的单质或合金以及包含上述元素的氮化物。

（2）原料的混合物需要在1300℃-1800℃下焙烧，焙烧时间为3-8h。

（3） 焙烧过程需要通还原气氛。还原气氛为氮气和氢气的混合气或一氧化碳或碳粉。

本发明的制备过程中原料优选为M，M’，A，B，Si的氮化物。焙烧温度为1500-1700℃。还原气氛为氢氮混合气，氢气的体积浓度为0

图1为本发明实施例41的化合物的激发光谱；

图2为本发明实施例41的化合物的发射光谱。

以下是本发明的实施例，本发明的保护范围不受这些实施例的限定，其保护范围由权利要求来决定。

本发明提供一种功能化合物，所述的化合物的化学式为：MmM’xSiyAzBwn，式中M为碱土金属元素的一种或几种；M’为稀土元素的一种或几种；A为ⅢA元素以及Y，Sc，Lu，La，Gd中的一种或几种；B为ⅤB元素中的一种或几种；其中元素的角标范围为0≤m≤4，0＜x≤1，1≤y≤7，0≤z≤3，0＜w≤1，n=2/3m+z+4/3y+k，(2x+3w)/3≤k≤(3x+5w)/3。

为了描述化合物方便，其中M、M’ 、A、B为元素代号，具体的M为碱土金属元素的一种或几种；M’为稀土元素的一种或几种；A为ⅢA元素以及Y，Sc，Lu，La，Gd中的一种或几种；B为ⅤB元素中的一种或几种。其中，元素代号右下角有角标，代表化合物组成中各元素代号的摩尔比例关系，具体为m、x、y、z、w、n，这样MmM’xSiyAzBwn就代表一系列功能化合物,如下面实施例中的：Sr1.95Eu0.05Si5V0.0018.017；Ca1.95Eu0.05AlSi5Ta10.667。碱土金属、稀土元素、ⅢA元素及ⅤB元素可以参照元素周期表，是本领域技术人员公知的技术常识。

具体的为一种功能化合物，该化合物的化学式为：MmM’xSiyAzBwn，其中M为Ca，Sr，Ba，Mg中的一种或几种；M’为Eu，Ce，Dy，Sm，Tb，Pr，d，Pm，Gd，Ho，Er，Tm，Yb中的一种或几种；A为B（硼），Al，Ga，In，Y，Sc，Lu，La，Gd中的一种或几种；B为V，b，Ta中的一种或几种；其中元素的角标范围为0≤m≤4，0＜x≤1，1≤y≤7，0≤z≤3，0＜w≤1，n=2/3m+z+4/3y+k，(2x+3w)/3≤k≤(3x+5w)/3。在本组实施例中，对M等元素代号定义了具体的元素，如A为B（硼），Al，Ga，In，Y，Sc，Lu，La，Gd中的一种或几种，即A可以是硼、铝、镓、铟、钇、钪、镥、镧、钆中的一种或者几种元素的组合。当出现组合时，对应的角标为涉及组合的几种元素的摩尔比例总和。

下面介绍具体应用的实施例

比较例1

选择Sr1.95Eu0.05Si58化合物为对照，测定该化合物在460nm激发下的发光亮度，发射主峰以及150℃下的发光维持率（150℃下的发光维持率为150℃下发光强度与常温（25℃）下发光强度之比）。

具体应用见实施例1-40

本组实施例的化合物的化学式如表1所示，测定该化合物在460nm激发下的发光亮度，发射主峰以及150℃下的发光维持率，并与比较例1进行对比。

本组实施例在隔绝空气条件下，按照表1所示化学式配比称量氮化硅、氮化铕、氮化锶、氮化钙、氮化铝、氮化硼、氮化钒、氮化铌，氮化钽和其他稀土金属氮化物等原料，充分混合均匀，将混合好的原料盛于坩埚中，转入高温炉，抽真空后通入H2 体积含量为1%的H2和2混合气，于1800℃焙烧3小时。待温度降至室温时，取出样品，进行研磨、洗涤、烘干及过筛的后处理。

表1实施例1-40

从本组实施例中可以看出，随着ⅤB元素添加量的增加，样品的热稳定性均有较大提高，且发光亮度呈先增加后减小变化，说明过渡金属的添加存在最优值。同时，样品的发射主峰位置也均发生变化。在本组实施例中，Sr、Ca、Ba、Mg等不同碱土离子的掺杂可以调节样品的发光主峰位置，对其发光性能和温度特性也有不同程度的影响。在150℃的高温下，各实施例的发光强度衰减均在12%以内。所以本发明涉及的功能化合物具有比Sr1.95Eu0.05Si58更高的发光亮度以及温度稳定性。

比较例2

选择Ca0.95Eu0.05AlSi3化合物为对照，测定该化合物在460nm激发下的发光亮度，发射主峰以及150℃下的发光维持率。

实施例41-67

本组实施例的化合物的化学式如表2所示，测定该化合物在460nm激发下的发光亮度，发射主峰以及150℃下的发光维持率。

本组实施例在隔绝空气条件下，按照表2所示化学式配比称量金属铕、金属锶、金属钙、金属镁、氮化硅、氮化铝、氮化硼、氮化钒、氮化铌、氮化钽和其他稀土元素金属，充分混合均匀，将混合好的原料盛于坩埚中，转入高温炉，抽真空后通入H2 体积含量为1% 的H2和2混合气，于1600℃焙烧5小时。待温度降至室温时，取出样品，进行研磨、洗涤、烘干及过筛的后处理。

表2实施例41-67

编号 化合物化学式 发光亮度/% 发射主峰/nm 150℃发光维持率/%

比较例2 Ca 0.95Eu 0.05AlSi 3 100 646 87.46

41 Ca 0.95Eu 0.05AlSiV 0.01 3.017 120 648 93.48

42 Ca 0.95Eu 0.05AlSib 0.01 3.017 134 650 93.98

43 Ca 0.95Eu 0.05AlSib 0.03 3.050 130 655 92.14

44 Ca 0.95Eu 0.05AlSib 0.05 3.083 129 652 92.07

45 Ca 0.95Eu 0.05AlSib 0.10 3.167 120 639 91.95

46 Ca 0.95Eu 0.05AlSiTa 0.05 3.083 125 640 93.24

47 Ca 0.95Eu 0.05B 0.5Al 0.5SiTa 0.05 3.083 115 635 91.87

48 Ca 0.95Eu 0.05Al 0.5Ga 0.5SiTa 0.05 3.083 114 631 91.46

49 Ca 0.95Eu 0.05Al 0.5In 0.5SiTa 0.05 3.083 114 630 91.47

50 Ca 0.95Eu 0.05Al 0.5La 0.5SiTa 0.05 3.083 113 634 91.26

51 Ca 0.95Eu 0.05BSiTa 0.05 3.083 118 640 92.00

52 Ca 0.95Eu 0.05YSiTa 0.05 3.083 117 627 91.23

53 Ca 0.95Eu 0.05LaSiTa 0.05 3.083 110 625 91.01

54 Ca 0.95Eu 0.05AlSiV 0.04Ta 0.01 3.083 123 645 93.06

55 Ca 0.95Eu 0.05AlSib 0.03Ta 0.02 3.083 121 642 92.54

56 Ca 0.95Eu 0.05AlSiV 0.03b 0.02 3.083 119 634 92.07

57 Ca 0.90Eu 0.08Ce 0.02AlSiV 0.05 3.103 129 635 92.13

58 Ca 0.90Eu 0.08Dy 0.02AlSib 0.05 3.083 121 640 91.69

59 Ca 0.90Eu 0.08Lu 0.02AlSiTa 0.05 3.103 129 630 93.24

60 Ca 0.90Eu 0.08Gd 0.02AlSiTa 0.05 3.103 126 631 94.15

61 Ca 0.90Sr 0.05Eu 0.05AlSiTa 0.01 3.017 130 645 91.23

62 Ca 0.90Ba 0.05Eu 0.05AlSiTa 0.01 3.017 119 643 92.06

63 Ca 0.90Mg 0.05Eu 0.05AlSiTa 0.01 3.017 120 642 91.96

64 Sr 0.90Mg 0.05Eu 0.05AlSiTa 0.01 3.017 115 623 91.87

65 Sr 0.95Eu 0.05AlSiTa 0.01 3.017 121 631 92.36

66 Mg 0.95Eu 0.05AlSiTa 0.01 3.017 110 620 91.26

67 Ba 0.95Eu 0.05AlSiTa 0.01 3.017 109 610 91.65

从表2列举的实施例结果可以看出，随着V、b、Ta元素的添加，样品的发光性能得到明显改善，尤其是发光亮度与150℃的发光维持率。在150℃的高温下，各实施例的发光强度衰减均在9%以内。如实施例41，其发射主峰位于648nm，半峰宽81nm（发射光谱见图1），激发范围为350nm-500nm，可被紫外-蓝光有效激发（激发光谱见图2），同时其发光亮度和150℃发光维持率在添加ⅤB元素后均有明显提高。所以本发明涉及的功能化合物具有比Ca0.95Eu0.05AlSi3更高的发光亮度以及温度稳定性。除此之外还可看出激活剂种类和掺杂比例对于发光材料的发光性能影响较大，如随着Eu含量的增加发光主峰位置向长波方向移动。

比较例3

选择Sr0.95Eu0.05AlSi47化合物为对照，测定该化合物在460nm激发下的发光亮度，发射主峰以及150℃下的发光维持率。

实施例68-86

本组实施例的化合物的化学式如表3所示，测定该化合物在390nm-460nm激发下的发光亮度，发射主峰以及150℃下的发光维持率。

本组实施例按照表3所示化学式配比称量氮化硅、氮化铕、氮化锶、氮化钙、氮化镁、氮化铝、氮化硼、氮化钒、氮化铌和氮化钽，在绝氧环境下混合均匀，将混合好的原料盛于坩埚中，转入高温炉中，抽真空后通入H2体积含量为1%的H2和2混合气，于1400℃焙烧7小时。待温度降至室温时，取出样品，进行研磨、洗涤、烘干及过筛的后处理。

表3实施例68-86

编号 化合物化学式 发光亮度/% 发射主峰/nm 150℃发光维持率/%

比较例3 Sr 0.95Eu 0.05AlSi 4 7 100 631 78.79

68 Sr 0.95Eu 0.05AlSi 4V 0.01 7.017 128 640 91.24

69 Sr 0.95Eu 0.05AlSi 4b 0.01 7.017 129 639 92.69

70 Sr 0.95Eu 0.05AlSi 4Ta 0.01 7.017 127 637 91.38

71 Sr 0.95Eu 0.05B 0.1Al 0.9Si 4V 0.01 7.017 126 628 90.01

72 Sr 0.95Eu 0.05B 0.2Al 0.8Si 4V 0.01 7.017 130 621 92.23

73 Sr 0.95Eu 0.05B 0.5Al 0.5Si 4V 0.01 7.017 121 615 91.56

74 Sr 0.95Eu 0.05B 0.7Al 0.3Si 4V 0.01 7.017 110 635 90.36

75 Sr 0.95Eu 0.05BSi 4V 0.01 7.017 105 638 89.25

76 Sr 0.95Eu 0.05Al 0.95Y 0.05Si 4b 0.01 7.017 132 628 93.54

77 Sr 0.95Eu 0.05Al 0.90Y 0.10Si 4b 0.01 7.017 121 627 92.45

78 Sr 0.95Eu 0.05Al 0.80Y 0.20Si 4b 0.01 7.017 115 618 91.98

79 Sr 0.95Eu 0.05Al 0.50Y 0.50Si 4b 0.01 7.017 110 600 90.63

80 Sr 0.95Eu 0.05Al 0.20Y 0.80Si 4b 0.01 7.017 120 575 92.56

81 Sr 0.95Eu 0.05Al 0.10Y 0.90Si 4b 0.01 7.017 123 565 93.01

82 Sr 0.95Eu 0.05YSi 4b 0.01 7.017 125 550 93.89

83 Sr 0.95Eu 0.05ScSi 4Ta 0.01 7.017 121 521 92.79

84 Ba 0.95Eu 0.05YSi 4Ta 0.01 7.017 120 520 91.12

85 Sr 0.95Ce 0.05YSi 4b 0.01 7.022 115 490 90.76

86 Ba 0.95Ce 0.05YSi 4Ta 0.01 7.022 110 480 89.37

比较例4

选择Ca0.95Eu0.05Si2化合物为对照，测定该化合物在460nm激发下的发光亮度，发射主峰以及150℃下的温度特性。

实施例87-101

本组实施例的化合物的化学式如表4所示，测定该化合物在460nm激发下的发光亮度，发射主峰以及150℃下的发光维持率。

本组实施例在隔绝空气条件下，按照表4所示化学式配比称量金属铕、金属锶、金属钙、金属镁、金属钡以及其他稀土元素金属，和氮化硅、氮化铝、氮化钒、氮化铌、氮化钽等原料，并混合均匀，将混合好的原料盛于坩埚，转入高温炉中，抽真空后通入CO体积含量为1% 的CO和2混合气，于1300℃ 焙烧8小时。待温度降至室温时，取出样品，进行研磨、洗涤、烘干及过筛的后处理。

表4实施例87-101

编号 化合物化学式 发光亮度/% 发射主峰/nm 150℃温度特性

比较例4 Ca 0.95Eu 0.05Si 2 100 620 70.39

87 Ca 0.95Eu 0.05SiV 0.01 2.017 120 630 89.36

88 Ca 0.95Eu 0.05Sib 0.01 2.017 121 628 89.12

89 Ca 0.95Eu 0.05SiTa 0.01 2.017 123 624 90.36

90 Ca 0.95Eu 0.05B 0.01Sib 0.01 2.027 130 631 90.25

91 Sr 0.95Eu 0.05Al 0.01Sib 0.01 2.027 135 660 92.36

92 Sr 0.95Eu 0.05Ga 0.01SiTa 0.01 2.027 129 673 91.21

93 Sr 0.95Eu 0.05Sc 0.01SiTa 0.01 2.027 123 658 90.86

94 Sr 0.95Eu 0.05Lu 0.01SiTa 0.01 2.027 120 652 90.45

95 Sr 0.95Eu 0.05Gd .01SiTa 0.01 2.027 116 652 90.12

96 Sr 0.95Eu 0.05Sib 0.01 2.017 124 680 91.20

97 Ba 0.95Eu 0.05SiTa 0.01 2.017 118 612 90.23

98 Mg 0.95Eu 0.05SiTa 0.01 2.017 116 517 89.14

99 Ba 2.95Eu 0.05Ga 3V 0.01 5.017 115 635 88.90

100 Ba 2.95Eu 0.05Ga 3b 0.01 5.017 127 640 89.09

101 Ba 2.95Eu 0.05Ga 3Ta 0.01 5.017 121 630 90.09

实施例102-114

本组实施例的化合物的化学式如表5所示，测定该化合物在360-460nm激发下的发光亮度，发射主峰以及150℃下的发光维持率。

本组实施例在隔绝空气条件下，按照表5所示化学式配比称量金属铕、金属锶、金属钙、金属镁、金属钡以及其他稀土元素金属，和氮化硅、氮化铝、氮化钒、氮化铌、氮化钽以及碳粉等原料，并混合均匀，将混合好的原料盛于坩埚，转入高温炉中，抽真空后通入2，于1600℃焙烧5小时。待温度降至室温时，取出样品，进行研磨、洗涤、烘干及过筛的后处理。

表5实施例102-114

编号 化合物化学式 发光亮度/% 发射主峰/nm 150℃温度特性

比较例4 Ca 0.95Eu 0.05Si 2 100 620 76.39

102 La 0.95Ce 0.05Si 3V 0.01 5.017 121 489 93.25

103 La 0.95Ce 0.05Si 3b 0.01 5.017 125 486 92.36

104 La 0.95Ce 0.05Si 3Ta 0.01 5.017 122 480 91.89

105 La 2.95Ce 0.05Si 6V 0.01 11.017 120 577 90.15

106 La 2.95Ce 0.05Si 6b 0.01 11.017 130 580 91.87

107 La 2.95Ce 0.50Si 6Ta 0.01 11.017 123 583 91.78

108 Ca 3.95Eu 0.05SiV 0.01 4.017 119 599 91.02

109 Sr 3.95Eu 0.05Sib 0.01 4.017 111 613 90.14

110 Ba 3.95Eu 0.05SiTa 0.01 4.017 105 624 90.01

111 Sr 0.95Eu 0.05Si 7Ta 0.01 10.017 111 495 91.12

112 Ba 0.95Eu 0.05Si 7b 0.01 10.017 110 492 93.14

113 Ca 0.95Eu 0.05Si 6b 0.01 8.017 109 491 92.09

114 Ba 0.95Eu 0.05Si 6Ta 0.01 8.017 111 480 92.87