新型紅色熒光陶瓷

2021-11-10 17:35

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

撰稿 | 彭星淋解榮軍劉學建

說明 | 本文來自論文作者投稿

藍色激光二極管（Laser diode, LD）芯片由于不存在藍色發光二極管（Light emitting diode, LED）在高功率密度下的“效率滾降”（“efficiency droop”）問題，可結合熒光材料實現超高亮度、遠距離和小光束照明，并應用于汽車大燈、戶外照明、激光電視以及激光影院等許多重要領域。

作為激光照明的關鍵光轉換材料，熒光材料的性能直接決定了照明器件的顯色指數、流明效率和可靠性等重要技術參數。目前激光照明常用的熒光材料包括熒光陶瓷、熒光玻璃、熒光薄膜、熒光單晶以及量子阱等。

其中，熒光陶瓷由于具有優異的光學（量子效率和光提取效率高）、熱學（熱導率和熱穩定性高）性能及微觀結構易調控等特點，已經成為目前綜合性能優異且應用潛力巨大的激光照明用熒光材料之一。

然而，目前的研究主要集中在以YAG:Ce3?黃色熒光陶瓷為代表的石榴石體系，由于該體系缺少紅光成分，導致器件的顯色指數偏低（一般小于60）。為實現高光品質的白光激光照明，提高光源的顯色指數，制備出紅色熒光陶瓷成為一種有效的解決方案。

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所劉學建研究員團隊與廈門大學解榮軍教授團隊合作，在《發光學報》（EI、Scopus收錄，中文核心期刊）發表了題為“AlN-CaAlSiN? :Eu紅色復相熒光陶瓷的熱等靜壓后處理及其性能”的論文。

該工作有效解決了氮化物熒光陶瓷的碳污染問題，即采用熱等靜壓（HIP）在N?氣氛中進行放電等離子體（SPS）燒結樣品的后處理，從而顯著提升了熒光陶瓷的發光性能，有望應用于大功率高顯色激光照明器件。

為使廣大發光同仁了解該團隊近年來在激光照明用紅色熒光陶瓷方向開展的相關工作，課題組應編者邀請撰寫了本篇報道。

該研究團隊巧妙地采用Si?N?和SiO?作為雙助熔劑，通過放電等離子體燒結（SPS）技術制備了半透明CaAlSiN?:Eu2?紅色熒光陶瓷。雙助熔劑的使用有效減低了燒結溫度，且Si?N?和SiO?可與CaAlSiN?發生反應生成CaAlSiN?-Si?N?O固溶體，促進了熒光陶瓷的致密化，并保持較好的發光性能。

研究表明，具有核（CaAlSiN?）―殼（CaAlSiN?-Si?N?O）結構的紅色發光熒光顆粒均勻彌散在新生成的不發光 Ca-α-sialon 基質中，得到的熒光陶瓷具有優異的熱穩定性（熱猝滅性能較熒光粉提高15%），外量子效率達60%（是粉體的 87%）。但是，由于單相CaAlSiN?:Eu熒光陶瓷的熱導率較低（4.2 W·m?1·K?1），當入射激光功率為0.5 W（功率密度為1.5 W·mm?2）時即發生發光飽和現象，最大光通量和流明效率分別為200 lm和42.2 lm·W?1（相關工作發表于J. Mater. Chem. C, 2016, 4:8197-8205和J. Mater. Chem. C, 2017, 5:1042-1051，均為當年的hot paper，第一作者為李淑星博士）。

圖1：CaAlSiN3的晶體結構轉變以及形成的核殼結構示意圖

為了提高CaAlSiN?:Eu2?紅色熒光陶瓷的發光飽和閾值，進一步提高熒光陶瓷的熱學性能和可靠性，添加AlN作為第二相，采用SPS成功制備出熱導率達53.5 W·m?1·K?1的AlN-CaAlSiN?:Eu2?紅色復相熒光陶瓷（熱導率為目前已報道熒光陶瓷的最高值）。得益于熱導率的提高，復相熒光陶瓷可耐最大激發功率高達4.2 W，是單相熒光陶瓷的8.4倍（相關工作發表于J. Eur. Ceram. Soc., 2021, 41(11): 5650-5657，第一作者為博士生彭星淋）。

圖2：AlN-CaAlSiN?:Eu復相熒光陶瓷的擇優取向分析以及晶體結構示意圖

然而，SPS燒結的AlN-CaAlSiN?:Eu2?紅色復相熒光陶瓷由于存在嚴重的碳污染，其發光性能較低。不同于氧化物陶瓷可以在空氣氣氛下熱處理來去除碳污染，氮化物陶瓷的除碳問題一直是一個難題。

研究發現，采用熱等靜壓（HIP）后處理SPS燒結的熒光陶瓷，可以有效減少樣品的碳含量，從而大幅度提高其發光性能，在藍色激光激發下樣品的最大光通量可達197 lm（相關結果發表于《發光學報》，2021, 42(10):1502-1509，第一作者為博士生彭星淋）。

圖3：熱等靜壓后處理前后樣品的照片

此外，作者還研究了孔徑分布對AlN-CaAlSiN?:Eu2?紅色復相熒光陶瓷光提取效率的影響。采用氣壓燒結（GPS）結合HIP后處理工藝制備了具有合適孔徑分布的熒光陶瓷，有效提高了樣品的發光性能，作者提出模型探討了氣孔大小、散射能力及其對光提取效率的影響規律（相關結果已投稿Appl. Phys. Lett.，第一作者為博士生彭星淋）。