上海光学精密机械研究所----上海光机所在白光LED/LD照明用高性能荧光陶瓷研究方面取得进展

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超强激光科学卓越创新简报

(第五百五十一期)

2024年9月26日

上海光机所在白光LED/LD照明用高性能荧光陶瓷研究方面取得进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所先进激光与光电功能材料部与空天激光技术与系统部研究团队在应用于白光LED/LD照明的高性能陶瓷荧光粉研究方面取得进展，相关成果以“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”为题分别发表于Journal of Alloys and Compounds和Optical Materials。

近年来，基于YAG:Ce荧光粉的荧光转换白光发光二极管（WLED）和白光激光二极管（WLD）凭借其节能、环境友好，体积小、使用寿命长等特点被广泛用于照明和显示领域。其中Ce: YAG荧光陶瓷因较高的发光效率、良好的化学稳定性和较为简单的制备工艺等特点，被认为是WLED/WLD器件中重要的荧光转换材料。然而，随着蓝光LED和LD工作功率的增加，YAG: Ce荧光粉陶瓷会出现热猝灭现象从而降低其发光效率。同时，YAG: Ce的发射光谱中缺少红光成分，导致其显色指数（CRI）较低。因此，如何缓解高功率激发下荧光陶瓷的热猝灭现象并提升其发光性能成为了当前两大挑战。

图1. MgO- YMASG: Ce复合相荧光粉陶瓷的热扩散率 (a)、比热容 (b)和热导率 (c)的温度依赖性趋势

图2. MgO- YMASG: Ce荧光粉陶瓷的白光LED发射光谱 (a)、发光效率和色温 (b)以及30 at% MgO样品的白光LD发射光谱 (c)

在[Journal of Alloys and Compounds 990, 174436 (2024)]这项工作中，研究团队采用真空固相烧结法成功制备了MgO-Y₃Mg₂AlSi₂O₁₂: Ce复合相荧光陶瓷。研究证明，MgO可以与YMASG相共存，引入MgO作为第二相有效地减少了Y₄MgSi₃O₁₃杂质的形成。随着MgO含量的增加，样品的导热系数从5.13 W/ (m∙K)上升到8.96 W/ (m∙K)，有效减轻了荧光材料在高功率蓝色LED/LD激发下的热积累。在MgO含量为30 wt%时，样品的发光效率与YMASG: Ce荧光粉陶瓷相当。这表明MgO显著提高了复合磷光体陶瓷的光提取效率。研究表明，MgO- YMASG: Ce复合荧光粉陶瓷有望成为大功率白光LED/LD照明应用的红色荧光粉材料。

在[Optical Materials 151, 115397 (2024)]这项工作中，研究团队采用真空固相烧结法制备了Al₂O₃–Ce: (Y, Tb)₃(Al, Mn)₅O₁₂复合相荧光陶瓷，在掺杂Mn²⁺提升陶瓷显色指数的同时引入Tb³⁺抑制其色温上升，引入Al₂O₃第二相有效缓解陶瓷热猝灭现象。在激光激发和LED激发下，3 at% Ce³⁺和4 at% Mn²⁺浓度下的陶瓷表现出最高的CRI值。其中，在激光激发下，CRI达到75.6，而在LED激发下，CRI达到81.3。这项工作表明通过组分优化，Ce-Mn-Tb共掺能显著提升复合相荧光陶瓷的显色指数并缓解色温上升现象，这些发现对提高WLED/WLD照明器件具有重要意义。