太原理工J. Mater. Chem. C：高顯色性暖白光LED用高效綠色熒光粉

【前言】

白光LED被譽為第四代照明光源，具有光效高、節能環保、壽命長、安全可靠等優點，在照明與顯示等領域擁有龐大的應用市場。商用白光LED照明器件主要基于熒光粉光轉換型，因此所用熒光粉的性能決定了白光LED器件的光電性能（包括：顯色指數、色溫、效率等）。目前實現白光LED主要有兩種主流方式：（1）藍光LED芯片(440-480 nm)激發黃色熒光粉。這種方案技術成熟、成本較低；但得到的光源屬于冷白光，其色溫高、顯色指數低，從而不適合室內通用照明。（2）近紫光LED芯片(380-420 nm)激發RGB(紅/綠/藍)三基色熒光粉。該種方案的光源具有顯色指數高、色彩還原性好、產品穩定可靠的優點。因此，探索能被近紫外光激發的高性能三基色熒光粉迫在眉睫。此外，綠色熒光粉的發光峰值波長與人眼視感度曲線的峰值波長基本相同，因而綠色熒光粉在最大程度上影響了三基色熒光粉的發光效率。于是，研發成本低、合成工藝簡單的高效綠色熒光材料是人們追求的目標。

【成果簡介】

近期，太原理工大學黃小勇教授（通訊作者）課題組采用高溫固相法制備了一種可被寬帶近紫外光激發的Ce³⁺/Tb³⁺共摻Ca₂YHf₂Al₃O_12?(CYHA)高效綠色熒光粉。該熒光粉的激發帶位于370~470 nm波段，最佳激發峰為408 nm，與商用400 nm近紫外LED芯片相匹配。在408 nm激發下，利用Ce³⁺→Tb³⁺高效的能量傳遞，該綠色熒光粉能發射出耀眼的綠光，其發射峰位于543 nm，內量子效率和外量子效率分別高達78.5%與56%。令人興奮的是，在相同激發條件下(408 nm)，該綠色熒光粉的發射強度是商用(Ba,Sr)₂SiO₄:Eu²⁺綠色熒光粉發射強度的3.2倍。更有意思的是，利用CYHA:Ce³⁺,Tb³⁺綠色熒光粉制備得到了高顯色性暖白光LED (顯色指數Ra = 92.6；色溫CCT = 3638 K；色坐標(0.388, 0.359)；電流60 mA)。相比之下，利用商用綠色(Ba,Sr)₂SiO₄:Eu²⁺熒光粉制備的白光LED器件顯色指數Ra僅為80.5 (色溫CCT = 3648 K；色坐標(0.397, 0.385)；電流60 mA)。鑒于CYHA:Ce³⁺,Tb³⁺綠色熒光粉的原材料易得、制備工藝簡單、發光性能優良的優點，該熒光粉有望用于近紫外激發的白光LED照明器件中。該研究成果以題為“Highly efficient near-UV-excitable Ca₂YHf₂Al₃O₁₂:Ce³⁺,Tb³⁺ green-emitting garnet phosphors with potential application in high color rendering warm-white LEDs”發表在國際著名期刊Journal of Materials Chemistry C上，第一作者為太原理工大學碩士研究生王少熒。

【圖文導讀】

圖一、CYHA:Ce³⁺,Tb³⁺綠色熒光粉的物相與晶體結構表征

(a) CYHA:Ce³⁺,Tb³⁺熒光粉的XRD圖。

(b) CYHA:0.03Ce³⁺,0.6Tb³⁺綠色熒光粉的XRD精修圖。

(c) CYHA:0.03Ce³⁺,0.6Tb³⁺綠色熒光粉的晶體結構圖。

圖二、CYHA:Ce³⁺,Tb³⁺綠色熒光粉的形貌與組分表征

(a, b) CYHA:0.03Ce³⁺,0.6Tb³⁺綠色熒光粉的SEM圖。

(c) CYHA:0.03Ce³⁺,0.6Tb³⁺綠色熒光粉的元素mapping圖。

(d) CYHA:0.03Ce³⁺,0.6Tb³⁺綠色熒光粉的EDS譜圖。

圖三、CYHA:Ce³⁺,Tb³⁺綠色熒光粉的發光性質

(a) CYHA:0.03Ce³⁺熒光粉的激發和發射光譜。

(b) CYHA:0.6Tb³⁺熒光粉的激發和發射光譜。

(c) CYHA:0.6Tb³⁺熒光粉的激發光譜與CYHA:0.03Ce³⁺熒光粉的發射光譜對比圖。

(d) CYHA:0.03Ce³⁺,0.6Tb³⁺熒光粉的激發和發射光譜。

圖四、CYHA:Ce³⁺,Tb³⁺綠色熒光粉的發光性質

(a) CYHA:0.03Ce³⁺,xTb³⁺熒光粉的激發光譜。

(b) CYHA:0.03Ce³⁺,xTb³⁺熒光粉的激發強度隨Tb³⁺摻雜濃度的變化。

(c) CYHA:0.03Ce³⁺,xTb³⁺熒光粉的發射光譜。

(d) Ce³⁺→Tb³⁺能量傳遞效率與Tb³⁺離子摻雜濃度關系圖。

(e) Ce³⁺離子的I_S0/I_S與C^6/3、C^8/3和C^10/3的關系圖。

(f) Ce³⁺→Tb³⁺能量傳遞過程示意圖。

(g) CYHA:0.03Ce³⁺,xTb³⁺熒光粉的CIE色度圖。

圖五、CYHA:0.03Ce³⁺,0.6Tb³⁺與CYHA:0.6Tb³⁺熒光粉的發光對比

(a) CYHA:0.03Ce³⁺,0.6Tb³⁺與CYHA:0.6Tb³⁺熒光粉的發射光譜對比圖。

(b) CYHA:0.03Ce³⁺,0.6Tb³⁺與CYHA:0.6Tb³⁺熒光粉的CIE色度圖。

(c) CYHA:0.6Tb³⁺熒光粉的量子效率。

(d) CYHA:0.03Ce³⁺,0.6Tb³⁺熒光粉的量子效率。

圖六、CYHA:0.03Ce³⁺,0.6Tb³⁺與(Ba,Sr)₂SiO₄:Eu²⁺的發光對比

(a) CYHA:0.03Ce³⁺,0.6Tb³⁺和商用(Ba,Sr)₂SiO₄:Eu²⁺綠色熒光粉的發射光譜。

(b) CYHA:0.03Ce³⁺,0.6Tb³⁺與(Ba,Sr)₂SiO₄:Eu²⁺的最佳發射峰的強度對比。

圖七、基于CYHA:0.03Ce³⁺,0.6Tb³⁺熒光粉封裝的白光LED器件

(a) 白光LED在120 mA電流下的發射光譜。

(b) 不同電流驅動下白光LED燈的發射光譜。

(c) 不同電流驅動下白光LED的CIE色度圖。

圖八、白光LED器件的光電性能對比圖

(a) 用(Ba,Sr)₂SiO₄:Eu²⁺商用綠色熒光粉制備的LED器件在60 mA電流下的發射光譜。

(b) 用CYHA:0.03Ce³⁺,0.6Tb³⁺綠色熒光粉制備的LED器件在60 mA電流下的發射光譜。

(c) 兩個白光LED的CIE色度圖。

【小結】

綜上所述，本研究報道了一種近紫外光激發的高效綠色CYHA:Ce³⁺,Tb³⁺熒光粉，其內量子效率高達78.5%，外量子效率高達56%。利用該綠色熒光粉制得了顯色指數高達92.6的暖白光LED器件，其顯色性能優于商用(Ba,Sr)₂SiO₄:Eu²⁺綠色熒光粉。該研究為開發高效LED綠色熒光材料提供了新的策略。

文獻鏈接：

Highly efficient near-UV-excitable Ca₂YHf₂Al₃O₁₂:Ce³⁺,Tb³⁺ green-emitting garnet phosphors with potential application in high color rendering warm-white LEDs, J. Mater. Chem. C, 2020, 8, 4408-4420. ?https://doi.org/10.1039/D0TC00130A

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。

E-mail: huangxy04@126.com