下载客户端

新型红色荧光陶瓷

2021-11-10 17:35

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

撰稿 | 彭星淋解荣军刘学建

说明 | 本文来自论文作者投稿

蓝色激光二极管（Laser diode, LD）芯片由于不存在蓝色发光二极管（Light emitting diode, LED）在高功率密度下的“效率滚降”（“efficiency droop”）问题，可结合荧光材料实现超高亮度、远距离和小光束照明，并应用于汽车大灯、户外照明、激光电视以及激光影院等许多重要领域。

作为激光照明的关键光转换材料，荧光材料的性能直接决定了照明器件的显色指数、流明效率和可靠性等重要技术参数。目前激光照明常用的荧光材料包括荧光陶瓷、荧光玻璃、荧光薄膜、荧光单晶以及量子阱等。

其中，荧光陶瓷由于具有优异的光学（量子效率和光提取效率高）、热学（热导率和热稳定性高）性能及微观结构易调控等特点，已经成为目前综合性能优异且应用潜力巨大的激光照明用荧光材料之一。

然而，目前的研究主要集中在以YAG:Ce³⁺黄色荧光陶瓷为代表的石榴石体系，由于该体系缺少红光成分，导致器件的显色指数偏低（一般小于60）。为实现高光品质的白光激光照明，提高光源的显色指数，制备出红色荧光陶瓷成为一种有效的解决方案。

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所刘学建研究员团队与厦门大学解荣军教授团队合作，在《发光学报》（EI、Scopus收录，中文核心期刊）发表了题为“AlN-CaAlSiN₃ :Eu红色复相荧光陶瓷的热等静压后处理及其性能”的论文。

该工作有效解决了氮化物荧光陶瓷的碳污染问题，即采用热等静压（HIP）在N₂气氛中进行放电等离子体（SPS）烧结样品的后处理，从而显著提升了荧光陶瓷的发光性能，有望应用于大功率高显色激光照明器件。

为使广大发光同仁了解该团队近年来在激光照明用红色荧光陶瓷方向开展的相关工作，课题组应编者邀请撰写了本篇报道。

该研究团队巧妙地采用Si₃N₄和SiO₂作为双助熔剂，通过放电等离子体烧结（SPS）技术制备了半透明CaAlSiN₃:Eu²⁺红色荧光陶瓷。双助熔剂的使用有效减低了烧结温度，且Si₃N₄和SiO₂可与CaAlSiN₃发生反应生成CaAlSiN₃-Si₂N₂O固溶体，促进了荧光陶瓷的致密化，并保持较好的发光性能。

研究表明，具有核（CaAlSiN₃）―壳（CaAlSiN₃-Si₂N₂O）结构的红色发光荧光颗粒均匀弥散在新生成的不发光 Ca-α-sialon 基质中，得到的荧光陶瓷具有优异的热稳定性（热猝灭性能较荧光粉提高15%），外量子效率达60%（是粉体的 87%）。但是，由于单相CaAlSiN₃:Eu荧光陶瓷的热导率较低（4.2 W·m⁻¹·K⁻¹），当入射激光功率为0.5 W（功率密度为1.5 W·mm⁻²）时即发生发光饱和现象，最大光通量和流明效率分别为200 lm和42.2 lm·W⁻¹（相关工作发表于J. Mater. Chem. C, 2016, 4:8197-8205和J. Mater. Chem. C, 2017, 5:1042-1051，均为当年的hot paper，第一作者为李淑星博士）。

图1：CaAlSiN3的晶体结构转变以及形成的核壳结构示意图

为了提高CaAlSiN₃:Eu²⁺红色荧光陶瓷的发光饱和阈值，进一步提高荧光陶瓷的热学性能和可靠性，添加AlN作为第二相，采用SPS成功制备出热导率达53.5 W·m⁻¹·K⁻¹的AlN-CaAlSiN₃:Eu²⁺红色复相荧光陶瓷（热导率为目前已报道荧光陶瓷的最高值）。得益于热导率的提高，复相荧光陶瓷可耐最大激发功率高达4.2 W，是单相荧光陶瓷的8.4倍（相关工作发表于J. Eur. Ceram. Soc., 2021, 41(11): 5650-5657，第一作者为博士生彭星淋）。

图2：AlN-CaAlSiN₃:Eu复相荧光陶瓷的择优取向分析以及晶体结构示意图

然而，SPS烧结的AlN-CaAlSiN₃:Eu²⁺红色复相荧光陶瓷由于存在严重的碳污染，其发光性能较低。不同于氧化物陶瓷可以在空气气氛下热处理来去除碳污染，氮化物陶瓷的除碳问题一直是一个难题。

研究发现，采用热等静压（HIP）后处理SPS烧结的荧光陶瓷，可以有效减少样品的碳含量，从而大幅度提高其发光性能，在蓝色激光激发下样品的最大光通量可达197 lm（相关结果发表于《发光学报》，2021, 42(10):1502-1509，第一作者为博士生彭星淋）。

图3：热等静压后处理前后样品的照片

此外，作者还研究了孔径分布对AlN-CaAlSiN₃:Eu²⁺红色复相荧光陶瓷光提取效率的影响。采用气压烧结（GPS）结合HIP后处理工艺制备了具有合适孔径分布的荧光陶瓷，有效提高了样品的发光性能，作者提出模型探讨了气孔大小、散射能力及其对光提取效率的影响规律（相关结果已投稿Appl. Phys. Lett.，第一作者为博士生彭星淋）。