創(chuàng)新點:浙江大學邱建榮教授團隊通過一種簡易的玻璃晶化技術開發(fā)了一類外量子效率高、熱穩(wěn)定性好的寬帶近紅外熒光陶瓷。這類熒光陶瓷作為全無機轉換體,可以從根本上解決傳統(tǒng)“熒光粉+有機硅脂”不能兼顧吸收效率高、內量子效率高和熱猝滅低的問題,從而實現(xiàn)熒光轉換型寬帶近紅外LED的高效率、高功率密度輸出。
關鍵詞:Advanced Science,近紅外,陶瓷,微型光源,浙江大學
近紅外(NIR)光源在生物成像、光生物調節(jié)、全光譜照明、太陽模擬器以及光譜分析技術等諸多領域具有不可替代的作用。近年來,隨著手機、智能手表等移動電子設備的多功能化和大規(guī)模普及,人們期待將傳統(tǒng)的近紅外光譜儀微型化,以便集成于這些便攜式/可穿戴終端裝備中,從而實現(xiàn)對食品、藥物、衣物等的即時檢測和對人體健康的實時監(jiān)控。然而,傳統(tǒng)的鹵鎢燈和超連續(xù)激光具有體積大和效率低的缺點,而NIR發(fā)光二極管(LED)的發(fā)射帶窄且價格高,均不能滿足應用要求。因此,開發(fā)價格低、效率高、體積小的寬帶近紅外光源是實現(xiàn)上述應用場景的關鍵之一。 “藍光LED+熒光粉”的熒光轉換型LED(pc-LED)是一種極具應用潛力的微型寬帶光源,其發(fā)射的近紅外光全部源于熒光粉,可以通過混合一種或多種NIR熒光粉實現(xiàn)超寬帶NIR發(fā)射。相比于白光pc-LED,NIR pc-LED中“藍光→近紅外光”轉換的量子缺損(Stokes能量損耗)更大,因此對NIR熒光粉的性能要求更高。但是,因為激發(fā)態(tài)電子的非輻射躍遷幾率隨著基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間的能量間距變小而增加,NIR發(fā)射在本質上更難實現(xiàn)高效率和高熱穩(wěn)定性。與其他NIR發(fā)光離子相比,三價鉻離子(Cr3+)在內量子效率(IQE)和光譜可調性等方面均已表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。但是,由于相關能級躍遷是偶極禁戒的,Cr3+激活的熒光粉對藍光的吸收弱,外量子效率(EQE)低,而提高摻雜濃度會導致IQE下降和熱猝滅加重。此外,熒光粉需要有機硅脂、環(huán)氧樹脂等進行LED器件封裝,而這類透明有機材料的熱導率極低且物理化學穩(wěn)定性差。 浙江大學邱建榮教授和肖文戈博士等人針對上述問題,通過一種簡單的玻璃晶化技術開發(fā)了一類外量子效率高、熱穩(wěn)定性好的寬帶近紅外熒光陶瓷,并將其直接作為全無機轉換體,獲得了一種高性能的NIR pc-LED。相關結果發(fā)表在Advanced Science上,論文第一作者為博士研究生鄭國君。 熒光陶瓷是一種高度致密化的塊體發(fā)光材料。它不但具有高的熱導率和極好的物理化學穩(wěn)定性,而且可以提高激活離子對激發(fā)光的吸收率,這是因為入射光在熒光陶瓷內部受到的散射較弱,其有效傳播距離更長。熒光陶瓷一般采用粉末燒結法制備,這種方法主要借助高溫、高壓、高真空等極端條件來實現(xiàn)塊體材料的致密化,成本高、工藝復雜。該研究團隊在前期工作中,通過玻璃組分設計和晶化過程控制,獲得了一種100%內量子效率和零熱猝滅的窄帶深紅光陶瓷(Laser Photonics Rev., 15, 2100060)。另外也開拓了基于3D打印的兼具高發(fā)光效率和熱穩(wěn)定性的熒光體與石英玻璃復合熒光轉換材料制備新技術(Nature Commun., 11, 2805 (2020) )。近日,該研究團隊以釔鋁石榴石(Y3Al5O12)為基礎,通過陽離子組分設計不但提高了原始組分的玻璃形成能力,而且將Y3Al5O12:Cr3+的窄帶深紅光發(fā)射調控為Y2CaAl4SiO12:Cr3+的寬帶近紅外發(fā)射 (峰值波長760 nm,半高寬160 nm)。所獲得的熒光陶瓷的IQE/EQE高達90.1%/59.5%,在150℃時其發(fā)光強度仍維持室溫的90.6%且光譜形狀幾乎不隨溫度變化。此外,他們展示了一種高效的全無機寬帶NIR pc-LED原型器件(NIR光電轉換效率為21.2%@100 mA),并演示了其在夜視和近紅外光譜等領域的應用。由于這種熒光陶瓷可以承受高功率密度激發(fā),因此可以與藍色激光相結合,進一步拓展其應用領域。該研究團隊還表示,他們正在采用玻璃晶化技術開發(fā)更高效率的超寬帶NIR(半高寬>250nm)熒光陶瓷。 論文信息: Glass-Crystallized Luminescence Translucent Ceramics toward High-Performance Broadband NIR LEDs Guojun Zheng, Wenge Xiao*, Jianhong Wu, Xiaofeng Liu, Hirokazu Masai, Jianrong Qiu* Advanced Science DOI: 10.1002/advs.202105713
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