Lanthanide-doped inorganic materials and organic-inorganic hybrids for solid-state lighting

Abstract

The International Energy Agency estimated that lighting accounts for ~19% of the total worldwide energy consumption. Light emitting diodes (LEDs) have higher efficiency compared to that of conventional lighting sources. The commercial white-LEDs (WLEDs) are based on broad-band Y3Al5O12:Ce3+ (YAG:Ce) yellow phosphor in combination with blue LED chips through a low cost and simple procedure, in which the YAG:Ce phosphor is directly packed on the blue InGaN chip. However, such two colour-based WLEDs exhibit poor colour rendering index (CRI, usually <75), high correlated colour temperature (CCT, >6500 K), and chromaticity drifts, which cannot fully satisfy the applications of lighting and backlighting of the displays. Also, LEDs still face some other drawbacks such as the relatively low efficient green emission, termed the ³green gap´ issXe. A promising alternative strategy is based on the downshift of the electroluminescence of near ultra-violet (NUV)/blue LEDs into the green spectral region by UV/blue-down shifting phosphors. Thus, novel efficient white and green-emitting materials for the phosphor-converted LED applications are required. In this thesis, organic-inorganic hybrids (ureasils, d-U(600)) doped with green emitting Tb3+-based complexes were applied in combination with NUV-LED chips to fabricate efficient green LED prototypes. To improve CRI and CCT of commercial WLEDs, novel blue-light excited La2Ce2O7:Eu3+ red phosphors were also successfully synthesised and characterized. Moreover, tuned white light emitters involving d-U(600) hybrids doped with lanthanide (Ln3+=Tb3+, Eu3+)-based complexes, fluorescent dyes (e.g. coumarin), and carbon dots were also prepared and optically characterised revealing intriguing CCT, CRI and photostability towards novel WLEDs.

A Agência Internacional de Energia estimou que o sector de iluminação representa cerca de 19% do consumo total de energia mundial. Os díodos emissores de luz (LEDs) têm maior eficiência em comparação com as fontes de iluminação convencionais. Os LEDs brancos comerciais (WLEDs) são baseados na combinação de LEDs azuis baseados em InGaN com o luminóforo Y3Al5O12:Ce3+ (YAG:Ce). Este material, que é um emissor de banda larga na região espectral do amarelo. é depositado de forma simples e a baixo custo sobre o LED azul. No entanto, a emissão deste WLEDs baseia-se na adição de duas cores tendo um índice de reprodução de cor baixo (CRI, geralmente <75), elevada temperatura de cor (CCT, > 6500 K) e variação de cromaticidade, que são claras desvantagens em aplicações de iluminação e retroiluminação. Para além destas desvantagens, estes LEDs ainda apresentam emissão na região do verde relativamente menos eficiente (usualmente designado em linguagem inglesa como ³green gap issue´). Uma estratégia alternativa a estes LEDs baseia-se na utilização de dispositivos emissores nas regiões espectrais do ultravioleta próximo (NUV) e do azul combinados com um material capaz de desviar esta emissão para a região do visível. Assim, novos materiais emissores eficientes quer de luz verde quer de luz branca para as aplicações em LEDs são necessários. Nesta tese, híbridos orgânicos-inorgânicos (ureasils, d-U(600)) dopados com complexos à base de Tb3+ emissores no verde foram combinados com NUV-LED comerciais para fabricar protótipos de LED verdes eficientes. Para melhorar o CRI e CCT dos WLEDs comerciais, novos luminóforos de La2Ce2O7:Eu3+ com emissão no vermelho e excitados com LEDs azuis foram, também, sintetizados e caracterizados. Na parte final da tese discute-se a contribuição de novos materiais emissores de luz branca sintonizável baseados em híbridos d-U(600) dopados com complexos de iões lantanídeos (Ln3+=Tb3+, Eu3+), corantes fluorescentes e pontos de carbono com propriedades óticas (CCT, CRI e fotoestabilidade) melhoradas, face ao estado da arte.