发光学报 | 高亮度固态照明用LuYAG:Ce荧光陶瓷

常用固态照明是一种利用紫外光或蓝光源激发荧光材料产生转换光的方法来实现白光或单色光照明的技术。石榴石基荧光陶瓷（例如YAG:Ce、LuAG:Ce荧光陶瓷）凭借其在蓝光区域的强吸收能力、高量子效率和优异的热导率，成为高功率LED/LD固态照明的重要荧光材料。随着蓝色发光二极管（LED）和激光二极管（LD）功率的不断上升，对石榴石基荧光陶瓷的热稳定性和发光性能提出了更高的要求。

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所李江研究员与江苏大学黄新友教授等在《发光学报》（EI、Scopus、CSCD、中文核心期刊）发表了题为“LuYAG∶Ce Transparent Ceramic Phosphors for High-brightness Solid-state Lighting Application”的研究成果，提出通过Lu³⁺取代YAG晶体中的Y³⁺来提高YAG:Ce荧光陶瓷热稳定性的同时，实现高亮度固态照明。其中，(Lu₀.₆Y₀.₄)AG:Ce荧光陶瓷与460 nm蓝色LED芯片相结合后，表现出114 lm·W⁻¹的高发光效率，而与不同入射激光功率密度（2.2～39 W/mm²）的透射式450 nm LD结合后，表现出128 lm·W⁻¹的最佳发光效率和128～1 874 lm的光通量。

▍研究背景

Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺（YAG:Ce）具有灵活的晶体结构，即Y、Al离子可以被其他离子取代的同时，还能保持完整的石榴石晶体结构，这对YAG:Ce荧光陶瓷的改性起着至关重要的作用。具体来说，十二面体Y位点可以被Lu³⁺、Gd³⁺等离子取代，八面体Al位点可以被Sc³⁺、In³⁺、Ga³⁺、Mg²⁺、Mn²⁺等离子占据，而四面体Al位点可以被Ga³⁺、Si⁴⁺、Ge⁴⁺等离子占据。凭借这一特点，研究者们对YAG:Ce荧光材料进行了不同离子的取代，并探究了不同取代离子浓度、取代位点、电荷平衡性、固溶度对材料最终光学质量、光谱特性以及结合器件后发光性能的影响，例如Gd³⁺取代Y³⁺的GdYAG:Ce、Ga³⁺取代Al³⁺的YAGG:Ce和Mg²⁺-Si⁴⁺取代Al³⁺-Al³⁺的YMSAG:Ce等不同光谱特性的荧光材料。

然而，目前常用的YAG:Ce荧光陶瓷在大功率LED/LD固态照明应用中依然存在热稳定性较低的问题。因此，为了进一步提高材料的热稳定性和发光饱和阈值，本工作对YAG晶格中离子进行适当取代来改善晶体结构。采用相对原子质量较大的Lu³⁺取代Y³⁺位点的方法不仅可以提高热稳定性，同时离子半径较小的Lu³⁺还可以使得晶体结构得到解压而更加立方化，所以LuYAG:Ce荧光陶瓷将具备更加优异的抗辐照性能和发光饱和阈值。

▍Lu含量对LuYAG:Ce荧光陶瓷发光性能的影响

不同Lu³⁺含量的LuYAG:Ce荧光陶瓷分别在460 nm LED COB模块和450 nm LD远程激发模式下进行了发光性能测试。图1展示了LuYAG:Ce荧光陶瓷基于460 nm 2.7 W LED器件的发光性能。随着Lu³⁺含量的增加，LuYAG:Ce荧光陶瓷的流明效率和光通量呈现先升高后下降的趋势。当Lu³⁺含量为60% （at.）时，LuYAG:Ce荧光陶瓷表现出最佳的发光效率（114 lm∙W⁻¹）和光通量（307 lm）。电致发光光谱（EL谱）中460 nm处的极低峰值表明了LuYAG:Ce 荧光陶瓷中Ce³⁺对泵浦蓝光的充分吸收。另一方面，随着Lu³⁺含量的增加，475~750 nm间的宽带谱呈现出更多的绿色光谱成分。

在透射模式下，通过450 nm LD远程激发LuYAG:Ce荧光陶瓷构建了激光照明器件，其流明效率、光通量和EL光谱等数据如图2所示。在2.2 W·mm⁻²的激光功率密度下，(Lu₀.₆Y₀.₄)AG:Ce荧光陶瓷的发光效率和光通量可以达到128 lm∙W⁻¹和128 lm。随着激光功率密度增加到27.3 W·mm⁻²时，LD器件具有比低输出功率的LD器件表现更好的光通量（1459 lm），但流明效率降低到118 lm∙W⁻¹。另一方面，基于LuYAG:Ce荧光陶瓷构建LD器件的EL光谱表现出随着Lu³⁺含量的增加，475~750 nm间的宽带也呈现出更多的绿色光谱成分。然而，与LED器件相比，LD器件中的EL光谱含有更多的蓝光成分，这表明来自LD源的部分蓝光直接从荧光陶瓷中向外透射并与475~750 nm间的转换光混合，而不是被Ce³⁺吸收。图2 (d)展示了(Ce₀.₀₀₁Y₀.₉₉₉₋ₓLuₓ)₃Al₅O₁₂荧光陶瓷（x=0.4, 0.6, 0.999）的光通量随输入功率密度从2.2 W·mm⁻²增加到39 W·mm⁻²的变化趋势。当输入功率密度达到34 W·mm⁻²时，(Lu₀.₄Y₀.₆)AG:Ce荧光陶瓷的光通量达到发光饱和阈值，然后随着功率密度的进一步增加而下降。然而，(Lu₀.₆Y₀.₄)AG:Ce荧光陶瓷在功率增加到39 W·mm⁻²（设备的最大功率密度）时也没有表现出发光饱和现象，并且呈现出1874 lm的最佳光通量，这高于LuAG:Ce TCP（1850 lm）。因此，LuYAG:Ce荧光陶瓷在高亮度固态照明器件的应用方面具有广阔的前景。

图1：不同Lu³⁺含量的LuYAG:Ce荧光陶瓷在蓝光LED激发下的发光效率和光通量（a）及EL光谱（b）。

图2：不同Lu³⁺含量的LuYAG:Ce 荧光陶瓷在2.2 W·mm⁻² (a) 和27.3 W·mm⁻² (b) 蓝光LD激发下的发光效率和光通量；(c) 27.3 W·mm⁻²蓝光LD激发下的EL光谱；(d) 不同功率密度下的光通量变化趋势。

▍结论与展望

本文介绍了通过固相反应和真空烧结制备了一系列不同Lu³⁺含量的LuYAG:Ce荧光陶瓷。在蓝光LED激发下，(Lu₀.₆Y₀.₄)AG:Ce荧光陶瓷达到最佳流明效率和光通量（114 lm∙W⁻¹和 307 lm）。在2.2 W ∙mm⁻²蓝光LD激发下，其流明效率最高达到128 lm∙W⁻¹。此外，当功率密度上升至39 W∙mm⁻²时，基于该陶瓷的LD器件的光通量达到1874 lm且没有出现发光饱和现象。因此，本研究制备的LuYAG:Ce荧光陶瓷由于其优异的发光效率和发光饱和阈值在高功率固态照明中具有广阔的应用前景。

| 论文信息 |

黄新友, 王雁斌, 程梓秋等. 高亮度固态照明用LuYAG:Ce荧光陶瓷[J]. 发光学报, 2023, 44(6):964-974.

https://cjl.lightpublishing.cn/zh/article/doi/10.37188/CJL.20220435

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