東華大學江莞等人Adv. Mater.報道：基于納米波片機制及折射率匹配原則制備白光LED用高效透明羥基磷灰石基復合熒光陶瓷

【背景介紹】

陶瓷基熒光轉換材料（如YAG:Ce、Lu₃Al₅O₁₂:Ce、CaAlSiN₃:Eu等）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，稀土離子摻雜陶瓷基熒光轉換材料仍存在易濃度猝滅及濃度難以調控等問題，由其組裝得到的WLEDs表現出發光效率低、相關色溫高等不足。采用透明陶瓷封裝熒光粉可以解決上述問題，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。

【成果簡介】

近日，東華大學的江莞教授、王連軍教授和海南大學的李建林教授聯合報道了基于納米波片機制及折射率匹配原則制備的白光LED用高效透明羥基磷灰石(HA)基復合熒光陶瓷，獲得了高性能的透明陶瓷封裝熒光粉透過式LED器件。研究團隊以介孔HA納米棒和YAG: Ce熒光粉為原料，利用放電等離子體燒結技術，在850℃下制備得到HA基復合熒光陶瓷(HA-YAG:Ce PiC)。通過引入納米波片機制，使陶瓷基體在可見光區域的透過率達80%以上，且復合陶瓷的量子產率保留了原始熒光粉的90％以上。此外，通過引入瑞利散射，進一步提高了入射藍光利用率，使組裝得到的WLEDs發光效率極高，其流明效率可達170 lm W^-1，相關色溫低于4500 K。利用微觀結構調控消除光散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。研究成果以題為“Nano Wave Plates Structuring and Index Matching in Transparent Hydroxyapatite-YAG: Ce Composite Ceramics for High Luminous Effciency White Light-Emitting Diodes”發布在國際著名期刊Adv. Mater.上。博士研究生黃平為第一作者。

【圖文解析】

圖一、HA納米棒的制備和燒結
（a）制備過程示意圖；

（b）HA納米棒的HRTEM圖顯示出清晰的晶格；

（c）HA陶瓷在垂直及平行于壓力方向的XRD圖譜；

（d-e）HA晶粒在垂直及平行于壓力方向的c軸空間分布示意圖；

（f）當入射光分別垂直于壓力方向和平行于壓力方向時，HA陶瓷的線性透射率。

圖二、純HA陶瓷的表征
（a）介孔HA納米棒和純HA陶瓷的XRD圖譜；

（b）晶粒尺寸分別為150、250和500 nm的HA陶瓷的線性透射率；

（c-d）HA陶瓷的TEM圖和晶界的HRTEM圖。

圖三、HA-YAG:Ce PiC
（a）不同熒光粉質量比的HA-YAG:Ce PiC樣品照片及激光共聚焦電鏡圖；

（b）3wt％HA-YAG:Ce PiC樣品的BSEM圖；Al和Ca元素的EDS-mapping圖；

（c）YAG:Ce熒光粉和HA陶瓷界面的TEM圖；

（d）YAG:Ce熒光粉和HA陶瓷界面的HRTEM圖。

圖四、HA-YAG:Ce PiC的發光性能
（a）HA-YAG:Ce PiC 內的光傳播路徑；

（b）HA納米晶體基質中的瑞利散射示意圖；

（c）HA-YAG:Ce PiC和復合熒光硅膠（PiS）的外量子產率隨熒光粉含量的變化；

（d）HA-YAG:Ce PiC，PiS和未處理的熒光粉在不同溫度下的相對熒光強度。

圖五、HA-YAG組裝的WLEDs發光性能
（a）WLED器件的組裝示意圖；

（b）復合不同熒光粉含量的HA-YAG:Ce PiC及PiS組裝的WLEDs的光譜圖；

（c）HA-YAG:Ce PiC組裝的WLED的點亮圖及色坐標；

（d）WLEDs的藍光比率和色純度：PiC-WLEDs的總體藍光比率較低，并且色純度明顯高于相同熒光粉含量的PiS-WLEDs。

【總結】

綜上所述，作者首次在固態照明領域引入HA陶瓷作為光轉換材料的基體，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，制備了發光效率高達170lm/w的大功率LED用熒光陶瓷，且色溫低于4500K。

文獻鏈接：Nano Wave Plates Structuring and Index Matching in Transparent Hydroxyapatite-YAG: Ce Composite Ceramics for High Luminous Efficiency White Light-Emitting Diodes（Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201905951）

本文由CQR編譯。

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