近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)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(shù)與系統(tǒng)部研究團隊在應(yīng)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(guān)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(fā)表于Journal of Alloys and Compounds和Optical Materials。

近年來，基于YAG: Ce熒光粉的熒光轉(zhuǎn)換白光發(fā)光二極管（WLED）和白光激光二極管（WLD）憑借其節(jié)能、環(huán)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(lǐng)域。其中Ce: YAG熒光陶瓷因較高的發(fā)光效率、良好的化學(xué)穩(wěn)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(zhuǎn)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(xiàn)熱猝滅現(xiàn)象從而降低其發(fā)光效率。同時，YAG: Ce的發(fā)射光譜中缺少紅光成分，導(dǎo)致其顯色指數(shù)（CRI）較低。因此，如何緩解高功率激發(fā)下熒光陶瓷的熱猝滅現(xiàn)象并提升其發(fā)光性能成為了當前兩大挑戰(zhàn)。

圖1. MgO- YMASG: Ce復(fù)合相熒光粉陶瓷的熱擴散率 (a)、比熱容 (b)和熱導(dǎo)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(fā)射光譜 (a)、發(fā)光效率和色溫 (b)以及30 at% MgO樣品的白光LD發(fā)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(jié)法成功制備了MgO-Y₃Mg₂AlSi₂O₁₂: Ce復(fù)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(zhì)的形成。隨著MgO含量的增加，樣品的導(dǎo)熱系數(shù)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(fā)下的熱積累。在MgO含量為30 wt%時，樣品的發(fā)光效率與YMASG: Ce熒光粉陶瓷相當。這表明MgO顯著提高了復(fù)合磷光體陶瓷的光提取效率。研究表明，MgO- YMASG: Ce復(fù)合熒光粉陶瓷有望成為大功率白光LED/LD照明應(yīng)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(jié)法制備了Al₂O₃–Ce: (Y, Tb)₃(Al, Mn)₅O₁₂復(fù)合相熒光陶瓷，在摻雜Mn²⁺提升陶瓷顯色指數(shù)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(xiàn)象。在激光激發(fā)和LED激發(fā)下，3 at% Ce³⁺和4 at% Mn²⁺濃度下的陶瓷表現(xiàn)出最高的CRI值。其中，在激光激發(fā)下，CRI達到75.6，而在LED激發(fā)下，CRI達到81.3。這項工作表明通過組分優(yōu)化，Ce-Mn-Tb共摻能顯著提升復(fù)合相熒光陶瓷的顯色指數(shù)并緩解色溫上升現(xiàn)象，這些發(fā)現(xiàn)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(fù)合相熒光陶瓷的WLED (a)和WLD (b)(c)性能