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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(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