常用固態(tài)照明是一種利用紫外光或藍(lán)光源激發(fā)熒光材料產(chǎn)生轉(zhuǎn)換光的方法來實現(xiàn)白光或單色光照明的技術(shù)。石榴石基熒光陶瓷（例如YAG:Ce、LuAG:Ce熒光陶瓷）憑借其在藍(lán)光區(qū)域的強(qiáng)吸收能力、高量子效率和優(yōu)異的熱導(dǎo)率，成為高功率LED/LD固態(tài)照明的重要熒光材料。隨著藍(lán)色發(fā)光二極管（LED）和激光二極管（LD）功率的不斷上升，對石榴石基熒光陶瓷的熱穩(wěn)定性和發(fā)光性能提出了更高的要求。

近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所李江研究員與江蘇大學(xué)黃新友教授等在《發(fā)光學(xué)報》（EI、Scopus、CSCD、中文核心期刊）發(fā)表了題為“LuYAG∶Ce Transparent Ceramic Phosphors for High-brightness Solid-state Lighting Application”的研究成果，提出通過Lu3?取代YAG晶體中的Y3?來提高YAG:Ce熒光陶瓷熱穩(wěn)定性的同時，實現(xiàn)高亮度固態(tài)照明。其中，(Lu?.?Y?.?)AG:Ce熒光陶瓷與460 nm藍(lán)色LED芯片相結(jié)合后，表現(xiàn)出114 lm·W?1的高發(fā)光效率，而與不同入射激光功率密度（2.2～39 W/mm2）的透射式450 nm LD結(jié)合后，表現(xiàn)出128 lm·W?1的最佳發(fā)光效率和128～1 874 lm的光通量。

▍研究背景

Y?Al?O??:Ce3?（YAG:Ce）具有靈活的晶體結(jié)構(gòu)，即Y、Al離子可以被其他離子取代的同時，還能保持完整的石榴石晶體結(jié)構(gòu)，這對YAG:Ce熒光陶瓷的改性起著至關(guān)重要的作用。具體來說，十二面體Y位點(diǎn)可以被Lu3?、Gd3?等離子取代，八面體Al位點(diǎn)可以被Sc3?、In3?、Ga3?、Mg2?、Mn2?等離子占據(jù)，而四面體Al位點(diǎn)可以被Ga3?、Si??、Ge??等離子占據(jù)。憑借這一特點(diǎn)，研究者們對YAG:Ce熒光材料進(jìn)行了不同離子的取代，并探究了不同取代離子濃度、取代位點(diǎn)、電荷平衡性、固溶度對材料最終光學(xué)質(zhì)量、光譜特性以及結(jié)合器件后發(fā)光性能的影響，例如Gd3?取代Y3?的GdYAG:Ce、Ga3?取代Al3?的YAGG:Ce和Mg2?-Si??取代Al3?-Al3?的YMSAG:Ce等不同光譜特性的熒光材料。

然而，目前常用的YAG:Ce熒光陶瓷在大功率LED/LD固態(tài)照明應(yīng)用中依然存在熱穩(wěn)定性較低的問題。因此，為了進(jìn)一步提高材料的熱穩(wěn)定性和發(fā)光飽和閾值，本工作對YAG晶格中離子進(jìn)行適當(dāng)取代來改善晶體結(jié)構(gòu)。采用相對原子質(zhì)量較大的Lu3?取代Y3?位點(diǎn)的方法不僅可以提高熱穩(wěn)定性，同時離子半徑較小的Lu3?還可以使得晶體結(jié)構(gòu)得到解壓而更加立方化，所以LuYAG:Ce熒光陶瓷將具備更加優(yōu)異的抗輻照性能和發(fā)光飽和閾值。

▍Lu含量對LuYAG:Ce熒光陶瓷發(fā)光性能的影響

不同Lu3?含量的LuYAG:Ce熒光陶瓷分別在460 nm LED COB模塊和450 nm LD遠(yuǎn)程激發(fā)模式下進(jìn)行了發(fā)光性能測試。圖1展示了LuYAG:Ce熒光陶瓷基于460 nm 2.7 W LED器件的發(fā)光性能。隨著Lu3?含量的增加，LuYAG:Ce熒光陶瓷的流明效率和光通量呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。當(dāng)Lu3?含量為60% （at.）時，LuYAG:Ce熒光陶瓷表現(xiàn)出最佳的發(fā)光效率（114 lm?W?1）和光通量（307 lm）。電致發(fā)光光譜（EL譜）中460 nm處的極低峰值表明了LuYAG:Ce 熒光陶瓷中Ce3?對泵浦藍(lán)光的充分吸收。另一方面，隨著Lu3?含量的增加，475~750 nm間的寬帶譜呈現(xiàn)出更多的綠色光譜成分。

在透射模式下，通過450 nm LD遠(yuǎn)程激發(fā)LuYAG:Ce熒光陶瓷構(gòu)建了激光照明器件，其流明效率、光通量和EL光譜等數(shù)據(jù)如圖2所示。在2.2 W·mm?2的激光功率密度下，(Lu?.?Y?.?)AG:Ce熒光陶瓷的發(fā)光效率和光通量可以達(dá)到128 lm?W?1和128 lm。隨著激光功率密度增加到27.3 W·mm?2時，LD器件具有比低輸出功率的LD器件表現(xiàn)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熒光陶瓷構(gòu)建LD器件的EL光譜表現(xiàn)出隨著Lu3?含量的增加，475~750 nm間的寬帶也呈現(xiàn)出更多的綠色光譜成分。然而，與LED器件相比，LD器件中的EL光譜含有更多的藍(lán)光成分，這表明來自LD源的部分藍(lán)光直接從熒光陶瓷中向外透射并與475~750 nm間的轉(zhuǎn)換光混合，而不是被Ce3?吸收。圖2 (d)展示了(Ce?.???Y?.?????Lu?)?Al?O??熒光陶瓷（x=0.4, 0.6, 0.999）的光通量隨輸入功率密度從2.2 W·mm?2增加到39 W·mm?2的變化趨勢。當(dāng)輸入功率密度達(dá)到34 W·mm?2時，(Lu?.?Y?.?)AG:Ce熒光陶瓷的光通量達(dá)到發(fā)光飽和閾值，然后隨著功率密度的進(jìn)一步增加而下降。然而，(Lu?.?Y?.?)AG:Ce熒光陶瓷在功率增加到39 W·mm?2（設(shè)備的最大功率密度）時也沒有表現(xiàn)出發(fā)光飽和現(xiàn)象，并且呈現(xiàn)出1874 lm的最佳光通量，這高于LuAG:Ce TCP（1850 lm）。因此，LuYAG:Ce熒光陶瓷在高亮度固態(tài)照明器件的應(yīng)用方面具有廣闊的前景。

圖1：不同Lu3?含量的LuYAG:Ce熒光陶瓷在藍(lán)光LED激發(fā)下的發(fā)光效率和光通量（a）及EL光譜（b）。

圖2：不同Lu3?含量的LuYAG:Ce 熒光陶瓷在2.2 W·mm?2 (a) 和27.3 W·mm?2 (b) 藍(lán)光LD激發(fā)下的發(fā)光效率和光通量；(c) 27.3 W·mm?2藍(lán)光LD激發(fā)下的EL光譜；(d) 不同功率密度下的光通量變化趨勢。

▍結(jié)論與展望

本文介紹了通過固相反應(yīng)和真空燒結(jié)制備了一系列不同Lu3?含量的LuYAG:Ce熒光陶瓷。在藍(lán)光LED激發(fā)下，(Lu?.?Y?.?)AG:Ce熒光陶瓷達(dá)到最佳流明效率和光通量（114 lm?W?1和 307 lm）。在2.2 W ?mm?2藍(lán)光LD激發(fā)下，其流明效率最高達(dá)到128 lm?W?1。此外，當(dāng)功率密度上升至39 W?mm?2時，基于該陶瓷的LD器件的光通量達(dá)到1874 lm且沒有出現(xiàn)發(fā)光飽和現(xiàn)象。因此，本研究制備的LuYAG:Ce熒光陶瓷由于其優(yōu)異的發(fā)光效率和發(fā)光飽和閾值在高功率固態(tài)照明中具有廣闊的應(yīng)用前景。

| 論文信息 |

黃新友, 王雁斌, 程梓秋等. 高亮度固態(tài)照明用LuYAG:Ce熒光陶瓷[J]. 發(fā)光學(xué)報, 2023, 44(6):964-974.

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

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