上海硅酸鹽所在高亮度、高效率照明/顯示用熒光陶瓷方向取得系列研究進(jìn)展

固態(tài)激光照明器件由藍(lán)色激光二極管（B-LD）和黃綠色熒光轉(zhuǎn)換器（Y/LuAG:Ce）結(jié)合所得，在高功率照明/顯示的應(yīng)用引起了人們的高度關(guān)注。Y/LuAG:Ce作為應(yīng)用最廣泛的熒光材料，已經(jīng)在白光LED領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，若要實(shí)現(xiàn)其在激光照明/顯示中的應(yīng)用，還有三方面的性能亟待改進(jìn)：（1）提高熒光材料的藍(lán)光吸收率和黃綠光的提取率；（2）增加熒光材料的熱穩(wěn)定性，由于目前高功率LD中使用的激光功率密度大，急需進(jìn)一步抑制材料的熱致光衰效應(yīng)；（3）提高熒光材料轉(zhuǎn)換光的光色品質(zhì)。因?yàn)閅/LuAG:Ce的發(fā)射光譜缺少紅光成分，所以與藍(lán)光搭配輸出的白光顯色指數(shù)較低，亟需增加紅光波段的發(fā)光以提升輸出白光的顯色性能。

近期，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所李江研究員團(tuán)隊(duì)深入開(kāi)展了高亮度、高效率照明/顯示用石榴石基熒光陶瓷的研究工作，并取得了系列研究進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)與廈門(mén)大學(xué)解榮軍教授合作，在YAG:Ce陶瓷中引入氣孔作為光學(xué)散射中心，有效地減弱了熒光陶瓷中固有的全內(nèi)反射效應(yīng)對(duì)光提取效率的不利影響，并系統(tǒng)研究了氣孔含量和孔徑對(duì)YAG:Ce陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)、光約束能力和光學(xué)性能的影響?？紫堵蕿?0 vol%、孔徑為3 μm的YAG:Ce熒光陶瓷具有高中心亮度（1669592 cd/m²）、強(qiáng)的光約束能力和穩(wěn)定的光發(fā)射，有望應(yīng)用于激光顯示用的熒光輪。在功率密度為30 W/mm²的藍(lán)光LD的激發(fā)下，多孔YAG:Ce熒光陶瓷表現(xiàn)出4020 lm的高光通量和268 lm/W的高發(fā)光效率。相關(guān)研究成果發(fā)表在Journal of the American Ceramic Society （2023, 106: 2903-2910）。該論文第一作者為上海硅酸鹽所博士研究生程梓秋，通訊作者為上海硅酸鹽所李江研究員。

多孔YAG:Ce熒光陶瓷的表面FESEM形貌

為減少熒光陶瓷在高功率激光照明中的熱積累，團(tuán)隊(duì)與俄羅斯遠(yuǎn)東聯(lián)邦大學(xué)Denis Kosyanov教授合作，采用高熱導(dǎo)率的Al₂O₃作為第二相，首次通過(guò)放電等離子體燒結(jié)（SPS）技術(shù)制備出了具有高熱導(dǎo)率和發(fā)光飽和閾值的細(xì)晶粒Al₂O₃-YAG:RE（RE=Ce/Ce+Gd）復(fù)相熒光陶瓷，并系統(tǒng)研究了關(guān)鍵燒結(jié)參數(shù)（溫度、保溫時(shí)間、壓力）對(duì)復(fù)相熒光陶瓷致密度、顯微結(jié)構(gòu)和發(fā)光性能的影響。在合適的工藝條件下，制備了使微觀結(jié)構(gòu)和發(fā)光性能達(dá)到最佳平衡的Al₂O₃-YAG:RE復(fù)相陶瓷。Al₂O₃-YAG:Ce和Al₂O₃-GdYAG:Ce陶瓷熒光體轉(zhuǎn)換器的內(nèi)量子效率（IQE）分別高達(dá)95%和90.7%；最高流明效率高達(dá)264 lm·W^-1（色溫5596K）和225 lm·W^-1（色溫5374K）。相關(guān)研究成果發(fā)表在Journal of Advanced Ceramics （2023, 12: 1015-1032）。該論文通訊作者分別為俄羅斯遠(yuǎn)東聯(lián)邦大學(xué)Denis Kosyanov教授和上海硅酸鹽所李江研究員。

Al₂O₃-YAG:RE（RE=Ce/Ce+Gd）復(fù)相熒光陶瓷的（a）實(shí)物照片；（b）白光LED燈具；（c）PL/PLE光譜

隨后，研究團(tuán)隊(duì)采用固相反應(yīng)燒結(jié)技術(shù)制備了綠色Al₂O₃-LuAG:Ce復(fù)相熒光陶瓷，進(jìn)一步提高了陶瓷熒光轉(zhuǎn)換器的熱穩(wěn)定性和高功率激光下的服役性能。Al₂O₃-LuAG:Ce復(fù)相陶瓷表現(xiàn)出優(yōu)良的熱穩(wěn)定性（在225℃下發(fā)光損失16%）、高量子產(chǎn)率（>95%）和優(yōu)異的發(fā)光性能。在16.4 W藍(lán)光LD照射下，實(shí)現(xiàn)了4634 lm的高光通量和283 lm·W^-1的流明效率，飽和功率密度超過(guò)20.5W·mm^-2。相關(guān)研究成果發(fā)表在Journal of Advanced Ceramics （2023, 12: 625-633）。該論文第一作者為上海硅酸鹽所博士研究生程梓秋，通訊作者為河南理工大學(xué)徐堅(jiān)副教授和上海硅酸鹽所李江研究員。

Al₂O₃-LuAG:Ce復(fù)相陶瓷的（a）光通量；（b）流明效率；（c）EL光譜；（d）色溫分布圖

為解決上述使用固相反應(yīng)燒結(jié)技術(shù)制備復(fù)相熒光陶瓷存在的成分不均勻問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)采用共沉淀法來(lái)提高復(fù)相粉體的均勻性和燒結(jié)活性，通過(guò)增加Al³⁺、Y³⁺、Ce³⁺混合金屬鹽溶液中Al³⁺的含量制備出了組分和發(fā)光均勻性良好的Al₂O₃-YAG:Ce復(fù)相熒光陶瓷。40 wt%Al₂O₃-YAG:Ce在7.053W 450 nm LD激發(fā)下，相關(guān)色溫可達(dá)6498 K，流明效率為166 lm?W^-1，光通量為1169 lm。通過(guò)Lu取代全部Y，成功將Al₂O₃-LuAG:Ce復(fù)相陶瓷的流明效率提升至266 lm?W^-1。隨著450 nm LD功率密度的不斷增加，基于20~70 wt%Al₂O₃-LuAG:Ce復(fù)相熒光陶瓷的光通量不斷上升，未出現(xiàn)發(fā)光飽和現(xiàn)象，光通量達(dá)到3624 lm （LD的最大功率為15.6 W），并表現(xiàn)出更高的熱穩(wěn)定性（在225℃下發(fā)光損失僅為4.3%）。相關(guān)研究結(jié)果分別發(fā)表于Journal of the American Ceramic Society（2023, 106: 5933-5943）和Optical Materials（2024, 147: 114628）。該兩篇論文的第一作者為江蘇大學(xué)聯(lián)培碩士研究生王雁斌，通訊作者為上海硅酸鹽所李江研究員。

（a）-（d）x wt%Al₂O₃-YAG:Ce（x=20, 30, 40, 50）復(fù)相熒光陶瓷的FESEM形貌照片

針對(duì)激光照明中現(xiàn)存的輸出白光光色品質(zhì)差的難題，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新穎的具有條形碼結(jié)構(gòu)的YAG:Ce/YAG:Cr/YAG:Pr熒光陶瓷，既解決了多摻雜離子熒光陶瓷中由于各離子之間能量轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的低光效的問(wèn)題，又避免了復(fù)相陶瓷中不同層之間的再吸收或界面反應(yīng)的問(wèn)題，封裝后得到了可調(diào)光電色性能的LED照明器件。與YAG:Ce熒光陶瓷相比，復(fù)相陶瓷在650~750 nm處有明顯的紅光發(fā)射。隨著復(fù)合結(jié)構(gòu)中YAG:Cr和YAG:Pr比值的增大，其發(fā)射光譜中的紅色光譜成分顯著增加，有利于白光LED顯色性能的提升。當(dāng)YAG:Ce/YAG:Cr/YAG:Pr的厚度比為6/6/6時(shí)，復(fù)相陶瓷在800 nm處的透過(guò)率達(dá)60%，流明效率為106 lm/W，Rf為86，CCT為7642 K，表現(xiàn)出良好的發(fā)光性能。相關(guān)研究成果發(fā)表在Journal of the American Ceramic Society（2024, 107: 1061-1069）。該論文第一作者為上海硅酸鹽所畢業(yè)博士研究生劉欣，通訊作者為上海硅酸鹽所李江研究員。

條形碼結(jié)構(gòu)復(fù)相熒光陶瓷的制備流程

條形碼結(jié)構(gòu)復(fù)相熒光陶瓷的實(shí)物照片

以上相關(guān)工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際伙伴計(jì)劃（“一帶一路”科技合作專(zhuān)項(xiàng)）和上海市“一帶一路”國(guó)際合作項(xiàng)目等的資助。

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1）https://doi.org/10.1111/jace.18949

2）https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220735

3）https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220710

4）https://doi.org/10.1111/jace.19238

5）https://doi.org/10.1016/j.optmat.2023.114628

6）https://doi.org/10.1111/jace.19508