撰稿 | 彭星淋 解榮軍 劉學(xué)建

說(shuō)明 | 本文來(lái)自論文作者投稿

藍(lán)色激光二極管（Laser diode, LD）芯片由于不存在藍(lán)色發(fā)光二極管（Light emitting diode, LED）在高功率密度下的“效率滾降”（“efficiency droop”）問(wèn)題，可結(jié)合熒光材料實(shí)現(xiàn)超高亮度、遠(yuǎn)距離和小光束照明，并應(yīng)用于汽車(chē)大燈、戶(hù)外照明、激光電視以及激光影院等許多重要領(lǐng)域。

作為激光照明的關(guān)鍵光轉(zhuǎn)換材料，熒光材料的性能直接決定了照明器件的顯色指數(shù)、流明效率和可靠性等重要技術(shù)參數(shù)。目前激光照明常用的熒光材料包括熒光陶瓷、熒光玻璃、熒光薄膜、熒光單晶以及量子阱等。

其中，熒光陶瓷由于具有優(yōu)異的光學(xué)（量子效率和光提取效率高）、熱學(xué)（熱導(dǎo)率和熱穩(wěn)定性高）性能及微觀結(jié)構(gòu)易調(diào)控等特點(diǎn)，已經(jīng)成為目前綜合性能優(yōu)異且應(yīng)用潛力巨大的激光照明用熒光材料之一。

然而，目前的研究主要集中在以YAG:Ce3?黃色熒光陶瓷為代表的石榴石體系，由于該體系缺少紅光成分，導(dǎo)致器件的顯色指數(shù)偏低（一般小于60）。為實(shí)現(xiàn)高光品質(zhì)的白光激光照明，提高光源的顯色指數(shù)，制備出紅色熒光陶瓷成為一種有效的解決方案。

近日，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所劉學(xué)建研究員團(tuán)隊(duì)與廈門(mén)大學(xué)解榮軍教授團(tuán)隊(duì)合作，在《發(fā)光學(xué)報(bào)》（EI、Scopus收錄，中文核心期刊）發(fā)表了題為“AlN-CaAlSiN? :Eu紅色復(fù)相熒光陶瓷的熱等靜壓后處理及其性能”的論文。

該工作有效解決了氮化物熒光陶瓷的碳污染問(wèn)題，即采用熱等靜壓（HIP）在N?氣氛中進(jìn)行放電等離子體（SPS）燒結(jié)樣品的后處理，從而顯著提升了熒光陶瓷的發(fā)光性能，有望應(yīng)用于大功率高顯色激光照明器件。

為使廣大發(fā)光同仁了解該團(tuán)隊(duì)近年來(lái)在激光照明用紅色熒光陶瓷方向開(kāi)展的相關(guān)工作，課題組應(yīng)編者邀請(qǐng)撰寫(xiě)了本篇報(bào)道。

該研究團(tuán)隊(duì)巧妙地采用Si?N?和SiO?作為雙助熔劑，通過(guò)放電等離子體燒結(jié)（SPS）技術(shù)制備了半透明CaAlSiN?:Eu2?紅色熒光陶瓷。雙助熔劑的使用有效減低了燒結(jié)溫度，且Si?N?和SiO?可與CaAlSiN?發(fā)生反應(yīng)生成CaAlSiN?-Si?N?O固溶體，促進(jìn)了熒光陶瓷的致密化，并保持較好的發(fā)光性能。

研究表明，具有核（CaAlSiN?）―殼（CaAlSiN?-Si?N?O）結(jié)構(gòu)的紅色發(fā)光熒光顆粒均勻彌散在新生成的不發(fā)光 Ca-α-sialon 基質(zhì)中，得到的熒光陶瓷具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性（熱猝滅性能較熒光粉提高15%），外量子效率達(dá)60%（是粉體的 87%）。但是，由于單相CaAlSiN?:Eu熒光陶瓷的熱導(dǎo)率較低（4.2 W·m?1·K?1），當(dāng)入射激光功率為0.5 W（功率密度為1.5 W·mm?2）時(shí)即發(fā)生發(fā)光飽和現(xiàn)象，最大光通量和流明效率分別為200 lm和42.2 lm·W?1（相關(guān)工作發(fā)表于J. Mater. Chem. C, 2016, 4:8197-8205和J. Mater. Chem. C, 2017, 5:1042-1051，均為當(dāng)年的hot paper，第一作者為李淑星博士）。

圖1：CaAlSiN3的晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變以及形成的核殼結(jié)構(gòu)示意圖

為了提高CaAlSiN?:Eu2?紅色熒光陶瓷的發(fā)光飽和閾值，進(jìn)一步提高熒光陶瓷的熱學(xué)性能和可靠性，添加AlN作為第二相，采用SPS成功制備出熱導(dǎo)率達(dá)53.5 W·m?1·K?1的AlN-CaAlSiN?:Eu2?紅色復(fù)相熒光陶瓷（熱導(dǎo)率為目前已報(bào)道熒光陶瓷的最高值）。得益于熱導(dǎo)率的提高，復(fù)相熒光陶瓷可耐最大激發(fā)功率高達(dá)4.2 W，是單相熒光陶瓷的8.4倍

（相關(guān)工作發(fā)表于J. Eur. Ceram. Soc., 2021, 41(11): 5650-5657，第一作者為博士生彭星淋）

圖2：AlN-CaAlSiN?:Eu復(fù)相熒光陶瓷的擇優(yōu)取向分析以及晶體結(jié)構(gòu)示意圖

然而，SPS燒結(jié)的AlN-CaAlSiN?:Eu2?紅色復(fù)相熒光陶瓷由于存在嚴(yán)重的碳污染，其發(fā)光性能較低。不同于氧化物陶瓷可以在空氣氣氛下熱處理來(lái)去除碳污染，氮化物陶瓷的除碳問(wèn)題一直是一個(gè)難題。

研究發(fā)現(xiàn)，采用熱等靜壓（HIP）后處理SPS燒結(jié)的熒光陶瓷，可以有效減少樣品的碳含量，從而大幅度提高其發(fā)光性能，在藍(lán)色激光激發(fā)下樣品的最大光通量可達(dá)197 lm（相關(guān)結(jié)果發(fā)表于《發(fā)光學(xué)報(bào)》，2021, 42(10):1502-1509，第一作者為博士生彭星淋）。

圖3：熱等靜壓后處理前后樣品的照片

此外，作者還研究了孔徑分布對(duì)AlN-CaAlSiN?:Eu2?紅色復(fù)相熒光陶瓷光提取效率的影響。采用氣壓燒結(jié)（GPS）結(jié)合HIP后處理工藝制備了具有合適孔徑分布的熒光陶瓷，有效提高了樣品的發(fā)光性能，作者提出模型探討了氣孔大小、散射能力及其對(duì)光提取效率的影響規(guī)律

（相關(guān)結(jié)果已投稿Appl. Phys. Lett.，第一作者為博士生彭星淋）

圖4 熱等靜壓處理前后樣品的孔徑分布以及散射模型

CaAlSiN?:Eu2?熒光陶瓷作為大功率LED或激光照明用紅光陶瓷的典型代表，其研究尚處于起步階段，如何在燒結(jié)過(guò)程中不損害熒光粉的發(fā)光性能是制備性能優(yōu)異熒光陶瓷的關(guān)鍵，亟待進(jìn)一步優(yōu)化制備工藝、控制顯微結(jié)構(gòu)以及提高流明效率和光通量等光學(xué)性能。

論文信息：

彭星淋, 李淑星, 杜傲宸, 等. AlN-CaAlSiN?∶Eu紅色復(fù)相熒光陶瓷的熱等靜壓后處理及其性能[J]. 發(fā)光學(xué)報(bào), 2021, 42(10):1502-1509. DOI：10.37188/CJL.20210146

http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20210146

監(jiān)制 | 郝振東，趙陽(yáng)

編輯 | 趙唯

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