东华大学江莞等人Adv. Mater.报道：基于纳米波片机制及折射率匹配原则制备白光LED用高效透明羟基磷灰石基复合荧光陶瓷

【背景介绍】

陶瓷基荧光转换材料（如YAG:Ce、Lu₃Al₅O₁₂:Ce、CaAlSiN₃:Eu等）因其优异的发光性能及稳定性，能有效解决现有硅胶封装LED的老化、色漂移、蓝光溢出等问题，成为目前大功率LED及激光照明用光转换材料的一个重要研究方向。其中，稀土离子掺杂陶瓷基荧光转换材料仍存在易浓度猝灭及浓度难以调控等问题，由其组装得到的WLEDs表现出发光效率低、相关色温高等不足。采用透明陶瓷封装荧光粉可以解决上述问题，但是由于存在第二相（荧光粉）和晶界散射，导致复合荧光陶瓷只能用于以反射模式工作的照明器件。

【成果简介】

近日，东华大学的江莞教授、王连军教授和海南大学的李建林教授联合报道了基于纳米波片机制及折射率匹配原则制备的白光LED用高效透明羟基磷灰石(HA)基复合荧光陶瓷，获得了高性能的透明陶瓷封装荧光粉透过式LED器件。研究团队以介孔HA纳米棒和YAG: Ce荧光粉为原料，利用放电等离子体烧结技术，在850℃下制备得到HA基复合荧光陶瓷(HA-YAG:Ce PiC)。通过引入纳米波片机制，使陶瓷基体在可见光区域的透过率达80%以上，且复合陶瓷的量子产率保留了原始荧光粉的90％以上。此外，通过引入瑞利散射，进一步提高了入射蓝光利用率，使组装得到的WLEDs发光效率极高，其流明效率可达170 lm W^-1，相关色温低于4500 K。利用微观结构调控消除光散射并提高入射光利用率的策略为制造多种模式照明器用高性能陶瓷光转换材料开辟了新途径。研究成果以题为“Nano Wave Plates Structuring and Index Matching in Transparent Hydroxyapatite-YAG: Ce Composite Ceramics for High Luminous Effciency White Light-Emitting Diodes”发布在国际著名期刊Adv. Mater.上。博士研究生黄平为第一作者。

【图文解析】

图一、HA纳米棒的制备和烧结
（a）制备过程示意图；

（b）HA纳米棒的HRTEM图显示出清晰的晶格；

（c）HA陶瓷在垂直及平行于压力方向的XRD图谱；

（d-e）HA晶粒在垂直及平行于压力方向的c轴空间分布示意图；

（f）当入射光分别垂直于压力方向和平行于压力方向时，HA陶瓷的线性透射率。

图二、纯HA陶瓷的表征
（a）介孔HA纳米棒和纯HA陶瓷的XRD图谱；

（b）晶粒尺寸分别为150、250和500 nm的HA陶瓷的线性透射率；

（c-d）HA陶瓷的TEM图和晶界的HRTEM图。

图三、HA-YAG:Ce PiC
（a）不同荧光粉质量比的HA-YAG:Ce PiC样品照片及激光共聚焦电镜图；

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

（c）YAG:Ce荧光粉和HA陶瓷界面的TEM图；

（d）YAG:Ce荧光粉和HA陶瓷界面的HRTEM图。

图四、HA-YAG:Ce PiC的发光性能
（a）HA-YAG:Ce PiC 内的光传播路径；

（b）HA纳米晶体基质中的瑞利散射示意图；

（c）HA-YAG:Ce PiC和复合荧光硅胶（PiS）的外量子产率随荧光粉含量的变化；

（d）HA-YAG:Ce PiC，PiS和未处理的荧光粉在不同温度下的相对荧光强度。

图五、HA-YAG组装的WLEDs发光性能
（a）WLED器件的组装示意图；

（b）复合不同荧光粉含量的HA-YAG:Ce PiC及PiS组装的WLEDs的光谱图；

（c）HA-YAG:Ce PiC组装的WLED的点亮图及色坐标；

（d）WLEDs的蓝光比率和色纯度：PiC-WLEDs的总体蓝光比率较低，并且色纯度明显高于相同荧光粉含量的PiS-WLEDs。

【总结】

综上所述，作者首次在固态照明领域引入HA陶瓷作为光转换材料的基体，通过晶粒尺寸调控和纳米波片结构设计，巧妙地利用瑞利散射进一步提高蓝光转换效率，制备了发光效率高达170lm/w的大功率LED用荧光陶瓷，且色温低于4500K。

文献链接：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编译。

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