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Boosting Red Luminescence of Mn4+ in Tantalum Heptafluoride Based on an Ab Initio-Facilitated Sensitizer and Hydrophobic Surface Modification
ACS Applied Materials & Interfaces ( IF 8.3 ) Pub Date : 2023-04-14 , DOI: 10.1021/acsami.3c04734 Jiansheng Huo 1 , Quwei Ni 1, 2 , Haiyong Ni 1 , Tan Li 3 , Yuanyuan Meng 4 , Junhao Li 1 , Jianbang Zhou 1
ACS Applied Materials & Interfaces ( IF 8.3 ) Pub Date : 2023-04-14 , DOI: 10.1021/acsami.3c04734 Jiansheng Huo 1 , Quwei Ni 1, 2 , Haiyong Ni 1 , Tan Li 3 , Yuanyuan Meng 4 , Junhao Li 1 , Jianbang Zhou 1
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A narrow-band red-light component is critical to establish high color rendition and a wide color gamut of phosphor-converted white-light-emitting diodes (pc-WLEDs). In this sense, Mn4+-doped K2SiF6 fluoride is the most successful material that has been commercialized. As with K2SiF6:Mn4+ phosphors, Mn4+-doped tantalum heptafluoride (K2TaF7:Mn4+) fulfills a similar luminescence behavior and has been brought in a promising narrow-band red phosphor. But the limited brightness and low moisture-resistant performances have inevitably blocked its practical application. Herein, we employed the density functional theory (DFT)-based ab initio estimation approach to quickly identify the proper sensitizer by systematically investigating the electronic-band coupling between the several possible sensitizers (Rb, Hf, Zr, Sn, Nb, and Mo) and the luminescent center (Mn). Combined with experimental results, Mo was demonstrated to be the optimal sensitizer, which resulted in a 60% enhancement of the emission. On the side, the moisture sensitivity has been effectively improved via grafting the hydrophobic octadecyltrimethoxysilane (ODTMS) layer on the phosphor surface. Through employing the K2TaF7:Mn4+,Mo6+@ODTMS composite as a red component, warm WLEDs with good performance were achieved with a correlated color temperature (CCT) of 4352 K, a luminous efficacy (LE) of 90.1 lm/W, and a color rendering index (Ra) of 83.4. In addition, a wide color gamut reaching up to 102.8% of the NTSC 1953 value could be realized. Aging tests at 85 °C and 85% humidity for 120 h on this device manifested that the ODTMS-modified phosphor had much better moisture stability than that of the unmodified one. These studies provided viable tools for optimizing Mn4+ luminescence in fluoride hosts.
中文翻译：
基于从头算促进的敏化剂和疏水表面改性促进七氟化钽中 Mn4+ 的红色发光
窄带红光组件对于建立荧光粉转换白光发光二极管 (pc-WLED) 的高显色性和宽色域至关重要。从这个意义上说，Mn 4+掺杂的K 2 SiF 6氟化物是已经商业化的最成功的材料。与 K 2 SiF 6 :Mn 4+磷光体一样，Mn 4+掺杂的七氟化钽 (K 2 TaF 7 :Mn 4+) 实现了类似的发光行为，并被引入了一种很有前途的窄带红色荧光粉。但受限的亮度和低的防潮性能不可避免地阻碍了它的实际应用。在此，我们采用了基于密度泛函理论 (DFT) 的ab通过系统地研究几种可能的敏化剂（Rb、Hf、Zr、Sn、Nb 和 Mo）与发光中心（Mn）之间的电子能带耦合，初始估计方法可以快速识别合适的敏化剂。结合实验结果，Mo 被证明是最佳的敏化剂，可使发射增强 60%。另一方面，通过在荧光粉表面接枝疏水十八烷基三甲氧基硅烷（ODTMS）层，有效改善了湿敏性。通过采用K 2 TaF 7 :Mn 4+ ,Mo 6+@ODTMS 复合材料作为红色成分，实现了具有良好性能的暖色 WLED，相关色温 (CCT) 为 4352 K，发光效率 (LE) 为 90.1 lm/W，显色指数 (Ra) 为 83.4。此外，可以实现高达 NTSC 1953 值的 102.8% 的宽色域。在该器件上进行 85 °C 和 85% 湿度 120 h 的老化测试表明，ODTMS 改性荧光粉的水分稳定性明显优于未改性荧光粉。这些研究为优化氟化物主体中的Mn 4+发光提供了可行的工具。
更新日期：2023-04-14
中文翻译：
基于从头算促进的敏化剂和疏水表面改性促进七氟化钽中 Mn4+ 的红色发光
窄带红光组件对于建立荧光粉转换白光发光二极管 (pc-WLED) 的高显色性和宽色域至关重要。从这个意义上说，Mn 4+掺杂的K 2 SiF 6氟化物是已经商业化的最成功的材料。与 K 2 SiF 6 :Mn 4+磷光体一样，Mn 4+掺杂的七氟化钽 (K 2 TaF 7 :Mn 4+) 实现了类似的发光行为，并被引入了一种很有前途的窄带红色荧光粉。但受限的亮度和低的防潮性能不可避免地阻碍了它的实际应用。在此，我们采用了基于密度泛函理论 (DFT) 的ab通过系统地研究几种可能的敏化剂（Rb、Hf、Zr、Sn、Nb 和 Mo）与发光中心（Mn）之间的电子能带耦合，初始估计方法可以快速识别合适的敏化剂。结合实验结果，Mo 被证明是最佳的敏化剂，可使发射增强 60%。另一方面，通过在荧光粉表面接枝疏水十八烷基三甲氧基硅烷（ODTMS）层，有效改善了湿敏性。通过采用K 2 TaF 7 :Mn 4+ ,Mo 6+@ODTMS 复合材料作为红色成分，实现了具有良好性能的暖色 WLED，相关色温 (CCT) 为 4352 K，发光效率 (LE) 为 90.1 lm/W，显色指数 (Ra) 为 83.4。此外，可以实现高达 NTSC 1953 值的 102.8% 的宽色域。在该器件上进行 85 °C 和 85% 湿度 120 h 的老化测试表明，ODTMS 改性荧光粉的水分稳定性明显优于未改性荧光粉。这些研究为优化氟化物主体中的Mn 4+发光提供了可行的工具。
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