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  • 《先進材料》報道本課題組在復合熒光陶瓷領域取得的重要進展

    發布者:周蓓瑩發布時間:2019-11-13瀏覽次數:23

     陶瓷基熒光轉換材料因其優異的發光性能及穩定性,能有效解決現有硅膠封裝LED的老化、色漂移、藍光溢出等問題,成為目前大功率LED及激光照明用光轉換材料的一個重要研究方向。其中,采用透明陶瓷封裝商用熒光粉可以有效規避傳統稀土離子摻雜型熒光陶瓷存在的易濃度淬滅及濃度難以調控等問題而受到廣泛關注。但是由于存在第二相(熒光粉)和晶界散射,導致復合熒光陶瓷只能用于以反射模式工作的照明器件。基于此,本課題組江莞教授、王連軍教授和李建林教授(現就職于海南大學)共同報道了一種羥基磷灰石基復合熒光陶瓷材料,通過晶粒尺寸調控和納米波片結構設計,巧妙地利用瑞利散射進一步提高藍光轉換效率,獲得了發光效率高達170 lm/W且色溫低于4500 K的LED器件。

    [研究內容]

      本工作采用水熱合成的棒狀介孔羥基磷灰石(HA)為原料,結合放電等離子體燒結技術,在850℃下快速燒結制備得到透明HA陶瓷。在軸向壓力的作用下,陶瓷晶粒垂直于壓力方向產生明顯的取向生長,即晶粒光軸垂直于入射光方向排布,形成納米波片機制,有效消除了陶瓷內的雙折射,使陶瓷基體在可見光區域的透過率達80%以上。

    圖1. 透明陶瓷的制備流程及納米波片結構示意圖

    進一步制備HA基復合熒光陶瓷,得益于介孔HA粉體的高燒結活性以及快速低溫燒結制度(850℃,<10 min),熒光粉均勻分散于陶瓷基體內,且無界面反應。從而較好地保留了熒光粉原有的發光性能,其外量子產率達原始熒光粉的90%以上。利用HA基復合熒光陶瓷作為光轉換材料,以貼片式封裝技術,進一步組裝得到高性能白光LEDs。與硅膠封裝的LED相比,該LED外量子效率更高,熱穩定性、發光穩定性更為優異。

    圖2. 復合熒光陶瓷的實物圖、激光共聚焦電鏡圖、SEM圖及TEM

    圖3. LED器件的組裝機理及相關的發光性能

    圖4. 納米波片機制示意圖

    圖5. 流明光效增強示意圖

      

    此外,傳統LED對入射藍光的利用途徑主要包括:直接入射藍光激發熒光粉(I0)、經基質界面全反射藍光激發熒光粉(Ir)以及經熒光粉反射藍光激發熒光粉(Is)。而本工作制備得到的陶瓷晶粒大小約為入射光波長的1/3,能有效增強瑞利散射(IR),使入射藍光發生偏轉,進一步激發熒光粉背部,提高入射藍光的利用率。

      利用微觀結構調控消除雙折射并提高入射光利用率的策略為制造多種模式照明器用高性能陶瓷光轉換材料開辟了新途徑。

    相關論文以Nano Wave Plates Structuring and Index Matching in Transparent Hydroxyapatite-YAG: Ce Composite Ceramics for High Luminous Effciency White Light-Emitting Diodes”為題,發表在本領域高水平期刊Advanced Materials (Adv. Mater. 2019, 1905951)上。東華大學材料學院博士生黃平為第一作者,江莞教授、王連軍教授及李建林教授為共同通訊作者。該研究成果得到了國家自然科學基金重點及面上項目、上海市教委重大項目等的大力資助。


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