太原理工J. Mater. Chem. C：全光谱LED用高效青色荧光材料

【前言】

固态LED光源作为第四代照明技术具有绿色环保、高效节能、寿命长、可靠性强、可智能化等优点，已被广泛应用于照明、汽车、显示、交通等各个领域。未来LED发展的重要目标之一是提高其光质量，以实现健康照明，给予消费者和工作者更优越的视觉舒适度。高显色全光谱LED在各个照明领域的应用已经是大势所趋，特别是高端室内照明、手术灯、护眼灯、博物馆照明等对光谱质量要求高的领域。目前市场上主要应用的白光LED采用450-460 nm蓝光芯片激发黄色荧光粉的方式，但这种LED光源的显色指数Ra较低，色度空间分布不均匀，并可能带来蓝光危害的问题。另外一种实现白光LED的方式是采用380-420 nm紫光芯片激发RGB多色荧光粉技术，虽然不存在蓝光危害的困扰，但在蓝光和绿光之间接近490 nm波段的光谱存在“波谷”(cyan gap)，从而降低了光谱连续性，导致显色性不足，因此不能还原真实世界。解决LED光谱凹陷这个问题的直接策略是：引入高效青色荧光粉来弥补缺失的蓝绿光谱部分，从而大大增强了光谱连续性与完整性，实现光源的高显色性、高还原度与高饱和度。

【成果简介】

近日，太原理工大学黄小勇教授课题组研发了一种新型高效Ce³⁺离子掺杂Ca₂YHf₂Al₃O₁₂ (CYHAO) 石榴石结构青色荧光粉，该荧光粉可被近紫外光激发(激发峰408 nm)，并发射出耀眼的青光(发射峰493 nm，带宽100 nm)，其内量子效率和外量子效率分别高达89.5%和69.1%。难能可贵的是该CYHAO:Ce³⁺青色荧光粉在高温下(150 ^oC)具有良好的热稳定性与颜色稳定性。在150度温度下，其发光强度大约为室温下的64.2%；并且色度漂移仅为3.69 × 10^-3。最后，将商用蓝色BAM:Eu²⁺荧光粉，CYHAO:0.03Ce³⁺青色荧光粉，商用​​绿色(Ba,Sr)₂SiO₄:Eu²⁺荧光粉与​​红色CaAlSiN₃:Eu²⁺荧光粉的混合物涂覆在400 nm LED芯片上，制备了暖白光LED器件。在60 mA的驱动电流下，该LED器件发射出高品质暖白光，其色坐标为(0.3955, 0.3874)，色温CCT为3700 K，显色指数Ra 高达 93.5，以及饱和蓝色R12高达90.4，有望用于高端室内照明。该成果以题为“Full-visible-spectrum lighting enabled by an excellent cyan-emitting garnet phosphor”发表在国际著名期刊Journal of Materials Chemistry C上。

【图文导读】

图一、CYHAO:Ce³⁺荧光粉的晶相组成与晶体结构

(a) CYHAO:Ce³⁺荧光粉的XRD图谱。

(b) CYHAO:0.03Ce³⁺荧光粉的XRD精修图谱。

(c) CYHAO:0.03Ce³⁺荧光粉的晶体结构图。

 图二、CYHAO:Ce³⁺荧光粉的发光性能

(a) CYHAO:0.03Ce³⁺青色荧光粉的激发和发射光谱图。

(b) CYHAO:0.03Ce³⁺青色荧光粉与商用蓝粉BAM:Eu²⁺的发射光谱对比图。

(c) 不同Ce³⁺掺杂浓度的CYHAO:Ce³⁺荧光粉的激发光谱图。

(d) 不同Ce³⁺掺杂浓度的CYHAO:Ce³⁺荧光粉的发射光谱图。

图三、CYHAO:Ce³⁺荧光粉的发光性能

(a) CYHAO:Ce³⁺荧光粉的归一化发射光谱图。

(b) CYHAO:Ce³⁺荧光粉的色坐标及其在365nm紫外灯下的发光照片。

图四、CYHAO:0.03Ce³⁺青色荧光粉的热稳定性

(a) 不同温度下CYHAO:0.03Ce³⁺青色荧光粉的发射光谱图。

(b) 不同温度下CYHAO:0.03Ce³⁺青色荧光粉的归一化发射光谱图。

(c) CYHAO:0.03Ce³⁺青色荧光粉在不同温度下的色坐标。

(d) CYHAO:0.03Ce³⁺青色荧光粉的活化能图。

图五、白光LED器件光电性能

(a) 制备的白光LED1器件的发光光谱图。

(b) 制备的白光LED2器件的发光光谱图

(c) 白光LED器件的色度坐标图。

【小结】

综上所述，该课题组报道了新型高效Ce³⁺掺杂Ca₂YHf₂Al₃O₁₂石榴石结构青色荧光粉，其内量子效率和外量子效率分别高达89.5%和69.1%，并具有良好的热稳定性。利用所研发的CYHAO:0.03Ce³⁺青色荧光粉制作得到了高显色性暖白光LED器件（显色性Ra = 93.5，R12 = 90.4；色温CCT = 3700 K），这些白光LED器件有望用于高端室内照明。该研究为探索高品质全光谱白光LED用新型高效发光材料提供了思路。

文献链接：

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

 黄小勇教授简介

黄小勇，太原理工大学物理与光电工程学院教授，博士生导师，山西省青年三晋学者特聘教授。主要从事光电功能材料与器件的研究与开发。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等国际知名学术期刊上发表SCI论文120余篇，被SCI引用5800余次(Google Scholar)，H因子为39，其中5篇封面文章，22篇ESI 高被引论文（1% Top），6篇ESI热点论文(1‰ Top)，两篇研究论文分别入选“2017年度中国百篇最具影响国际学术论文”和“2018年度中国百篇最具影响国际学术论文”。受邀长期担任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余种知名SCI学术期刊的审稿专家与仲裁专家。荣获8种著名SCI学术期刊的杰出审稿人以及Top Peer Reviewer (within 1%) in the Global Peer Review Awards 2019，入选英国皇家化学会(RSC) 2018年Top 1%高被引中国学者榜单。

本文由太原理工大学黄小勇课题组供稿。