太原理工J. Mater. Chem. C：全光譜LED用高效青色熒光材料

【前言】

固態LED光源作為第四代照明技術具有綠色環保、高效節能、壽命長、可靠性強、可智能化等優點，已被廣泛應用于照明、汽車、顯示、交通等各個領域。未來LED發展的重要目標之一是提高其光質量，以實現健康照明，給予消費者和工作者更優越的視覺舒適度。高顯色全光譜LED在各個照明領域的應用已經是大勢所趨，特別是高端室內照明、手術燈、護眼燈、博物館照明等對光譜質量要求高的領域。目前市場上主要應用的白光LED采用450-460 nm藍光芯片激發黃色熒光粉的方式，但這種LED光源的顯色指數Ra較低，色度空間分布不均勻，并可能帶來藍光危害的問題。另外一種實現白光LED的方式是采用380-420 nm紫光芯片激發RGB多色熒光粉技術，雖然不存在藍光危害的困擾，但在藍光和綠光之間接近490 nm波段的光譜存在“波谷”(cyan gap)，從而降低了光譜連續性，導致顯色性不足，因此不能還原真實世界。解決LED光譜凹陷這個問題的直接策略是：引入高效青色熒光粉來彌補缺失的藍綠光譜部分，從而大大增強了光譜連續性與完整性，實現光源的高顯色性、高還原度與高飽和度。

【成果簡介】

近日，太原理工大學黃小勇教授課題組研發了一種新型高效Ce³⁺離子摻雜Ca₂YHf₂Al₃O₁₂ (CYHAO) 石榴石結構青色熒光粉，該熒光粉可被近紫外光激發(激發峰408 nm)，并發射出耀眼的青光(發射峰493 nm，帶寬100 nm)，其內量子效率和外量子效率分別高達89.5%和69.1%。難能可貴的是該CYHAO:Ce³⁺青色熒光粉在高溫下(150 ^oC)具有良好的熱穩定性與顏色穩定性。在150度溫度下，其發光強度大約為室溫下的64.2%；并且色度漂移僅為3.69 × 10^-3。最后，將商用藍色BAM:Eu²⁺熒光粉，CYHAO:0.03Ce³⁺青色熒光粉，商用??綠色(Ba,Sr)₂SiO₄:Eu²⁺熒光粉與??紅色CaAlSiN₃:Eu²⁺熒光粉的混合物涂覆在400 nm LED芯片上，制備了暖白光LED器件。在60 mA的驅動電流下，該LED器件發射出高品質暖白光，其色坐標為(0.3955, 0.3874)，色溫CCT為3700 K，顯色指數Ra 高達 93.5，以及飽和藍色R12高達90.4，有望用于高端室內照明。該成果以題為“Full-visible-spectrum lighting enabled by an excellent cyan-emitting garnet phosphor”發表在國際著名期刊Journal of Materials Chemistry C上。

【圖文導讀】

圖一、CYHAO:Ce³⁺熒光粉的晶相組成與晶體結構

(a) CYHAO:Ce³⁺熒光粉的XRD圖譜。

(b) CYHAO:0.03Ce³⁺熒光粉的XRD精修圖譜。

(c) CYHAO:0.03Ce³⁺熒光粉的晶體結構圖。

?圖二、CYHAO:Ce³⁺熒光粉的發光性能

(a) CYHAO:0.03Ce³⁺青色熒光粉的激發和發射光譜圖。

(b) CYHAO:0.03Ce³⁺青色熒光粉與商用藍粉BAM:Eu²⁺的發射光譜對比圖。

(c) 不同Ce³⁺摻雜濃度的CYHAO:Ce³⁺熒光粉的激發光譜圖。

(d) 不同Ce³⁺摻雜濃度的CYHAO:Ce³⁺熒光粉的發射光譜圖。

圖三、CYHAO:Ce³⁺熒光粉的發光性能

(a) CYHAO:Ce³⁺熒光粉的歸一化發射光譜圖。

(b) CYHAO:Ce³⁺熒光粉的色坐標及其在365nm紫外燈下的發光照片。

圖四、CYHAO:0.03Ce³⁺青色熒光粉的熱穩定性

(a) 不同溫度下CYHAO:0.03Ce³⁺青色熒光粉的發射光譜圖。

(b) 不同溫度下CYHAO:0.03Ce³⁺青色熒光粉的歸一化發射光譜圖。

(c) CYHAO:0.03Ce³⁺青色熒光粉在不同溫度下的色坐標。

(d) CYHAO:0.03Ce³⁺青色熒光粉的活化能圖。

圖五、白光LED器件光電性能

(a) 制備的白光LED1器件的發光光譜圖。

(b) 制備的白光LED2器件的發光光譜圖

(c) 白光LED器件的色度坐標圖。

【小結】

綜上所述，該課題組報道了新型高效Ce³⁺摻雜Ca₂YHf₂Al₃O₁₂石榴石結構青色熒光粉，其內量子效率和外量子效率分別高達89.5%和69.1%，并具有良好的熱穩定性。利用所研發的CYHAO:0.03Ce³⁺青色熒光粉制作得到了高顯色性暖白光LED器件（顯色性Ra = 93.5，R12 = 90.4；色溫CCT = 3700 K），這些白光LED器件有望用于高端室內照明。該研究為探索高品質全光譜白光LED用新型高效發光材料提供了思路。

文獻鏈接：

Full-visible-spectrum lighting enabled by an excellent cyan-emitting garnet phosphor, J. Mater. Chem. C, 2020, 8, 4934-4943. https://doi.org/10.1039/D0TC00006J

?黃小勇教授簡介

黃小勇，太原理工大學物理與光電工程學院教授，博士生導師，山西省青年三晉學者特聘教授。主要從事光電功能材料與器件的研究與開發。在Nature Photonics、Chemical?Society?Reviews、Progress in Materials Science、Science Bulletin、Science China Materials、Applied Catalysis B: Environmental、Chemical Engineering Journal、Journal of Materials Chemistry C、Optics Letters等國際知名學術期刊上發表SCI論文120余篇，被SCI引用5800余次(Google Scholar)，H因子為39，其中5篇封面文章，22篇ESI 高被引論文（1% Top），6篇ESI熱點論文(1‰ Top)，兩篇研究論文分別入選“2017年度中國百篇最具影響國際學術論文”和“2018年度中國百篇最具影響國際學術論文”。受邀長期擔任Materials Today、Angewandte Chemie International Edition、Coordination Chemistry Reviews、Chemistry of Materials、Applied Catalysis B: Environmental、Chemical Engineering Journal、Journal of Materials Chemistry A/B/C、Chemical Communications、Journal of Physical Chemistry Letters、ACS Photonics、ACS Applied Materials & Interfaces、Advanced Optical Materials、Inorganic Chemistry等90余種知名SCI學術期刊的審稿專家與仲裁專家。榮獲8種著名SCI學術期刊的杰出審稿人以及Top Peer Reviewer (within 1%) in the Global Peer Review Awards 2019，入選英國皇家化學會(RSC) 2018年Top 1%高被引中國學者榜單。

本文由太原理工大學黃小勇課題組供稿。