近期，中國科學院上海光學精密機械研究所先進激光與光電功能材料部與空天激光技術與系統部研究團隊在應用于白光LED/LD照明的高性能陶瓷熒光粉研究方面取得進展，相關成果以“Investigation of a thermally robust orange-red MgO-YMASG: Ce composite phosphor ceramic for white light LED/LD illumination”和“Fabrication of Al2O3–Ce: (Y, Tb)3(Al, Mn)5O12 composite ceramic phosphors for high color rendering white LED/LD illumination”為題分別發表于Journal of Alloys and Compounds和Optical Materials。
近年來，基于YAG: Ce熒光粉的熒光轉換白光發光二極管（WLED）和白光激光二極管（WLD）憑借其節能、環境友好，體積小、使用壽命長等特點被廣泛用于照明和顯示領域。其中Ce: YAG熒光陶瓷因較高的發光效率、良好的化學穩定性和較為簡單的制備工藝等特點，被認為是WLED/WLD器件中重要的熒光轉換材料。然而，隨著藍光LED和LD工作功率的增加，YAG: Ce熒光粉陶瓷會出現熱猝滅現象從而降低其發光效率。同時，YAG: Ce的發射光譜中缺少紅光成分，導致其顯色指數（CRI）較低。因此，如何緩解高功率激發下熒光陶瓷的熱猝滅現象并提升其發光性能成為了當前兩大挑戰。
圖1. MgO- YMASG: Ce復合相熒光粉陶瓷的熱擴散率 (a)、比熱容 (b)和熱導率 (c)的溫度依賴性趨勢
圖2. MgO- YMASG: Ce熒光粉陶瓷的白光LED發射光譜 (a)、發光效率和色溫 (b)以及30 at% MgO樣品的白光LD發射光譜 (c)
在[Journal of Alloys and Compounds 990, 174436 (2024)]這項工作中，研究團隊采用真空固相燒結法成功制備了MgO-Y3Mg2AlSi2O12: Ce復合相熒光陶瓷。研究證明，MgO可以與YMASG相共存，引入MgO作為第二相有效地減少了Y4MgSi3O13雜質的形成。隨著MgO含量的增加，樣品的導熱系數從5.13 W/ (m?K)上升到8.96 W/ (m?K)，有效減輕了熒光材料在高功率藍色LED/LD激發下的熱積累。在MgO含量為30 wt%時，樣品的發光效率與YMASG: Ce熒光粉陶瓷相當。這表明MgO顯著提高了復合磷光體陶瓷的光提取效率。研究表明，MgO- YMASG: Ce復合熒光粉陶瓷有望成為大功率白光LED/LD照明應用的紅色熒光粉材料。
在[Optical Materials 151, 115397 (2024)]這項工作中，研究團隊采用真空固相燒結法制備了Al2O3–Ce: (Y, Tb)3(Al, Mn)5O12復合相熒光陶瓷，在摻雜Mn2+提升陶瓷顯色指數的同時引入Tb3+抑制其色溫上升，引入Al2O3第二相有效緩解陶瓷熱猝滅現象。在激光激發和LED激發下，3 at% Ce3+和4 at% Mn2+濃度下的陶瓷表現出最高的CRI值。其中，在激光激發下，CRI達到75.6，而在LED激發下，CRI達到81.3。這項工作表明通過組分優化，Ce-Mn-Tb共摻能顯著提升復合相熒光陶瓷的顯色指數并緩解色溫上升現象，這些發現對提高WLED/WLD照明器件具有重要意義。
圖3. 基于3 at% Ce3+ 濃度的Al2O3–Ce: (Y, Tb)3(Al, Mn)5O12復合相熒光陶瓷的WLED (a)和WLD (b)(c)性能
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