太原理工J. Mater. Chem. C：高显色性暖白光LED用高效绿色荧光粉

【前言】

白光LED被誉为第四代照明光源，具有光效高、节能环保、寿命长、安全可靠等优点，在照明与显示等领域拥有庞大的应用市场。商用白光LED照明器件主要基于荧光粉光转换型，因此所用荧光粉的性能决定了白光LED器件的光电性能（包括：显色指数、色温、效率等）。目前实现白光LED主要有两种主流方式：（1）蓝光LED芯片(440-480 nm)激发黄色荧光粉。这种方案技术成熟、成本较低；但得到的光源属于冷白光，其色温高、显色指数低，从而不适合室内通用照明。（2）近紫光LED芯片(380-420 nm)激发RGB(红/绿/蓝)三基色荧光粉。该种方案的光源具有显色指数高、色彩还原性好、产品稳定可靠的优点。因此，探索能被近紫外光激发的高性能三基色荧光粉迫在眉睫。此外，绿色荧光粉的发光峰值波长与人眼视感度曲线的峰值波长基本相同，因而绿色荧光粉在最大程度上影响了三基色荧光粉的发光效率。于是，研发成本低、合成工艺简单的高效绿色荧光材料是人们追求的目标。

【成果简介】

近期，太原理工大学黄小勇教授（通讯作者）课题组采用高温固相法制备了一种可被宽带近紫外光激发的Ce³⁺/Tb³⁺共掺Ca₂YHf₂Al₃O₁₂ (CYHA)高效绿色荧光粉。该荧光粉的激发带位于370~470 nm波段，最佳激发峰为408 nm，与商用400 nm近紫外LED芯片相匹配。在408 nm激发下，利用Ce³⁺→Tb³⁺高效的能量传递，该绿色荧光粉能发射出耀眼的绿光，其发射峰位于543 nm，内量子效率和外量子效率分别高达78.5%与56%。令人兴奋的是，在相同激发条件下(408 nm)，该绿色荧光粉的发射强度是商用(Ba,Sr)₂SiO₄:Eu²⁺绿色荧光粉发射强度的3.2倍。更有意思的是，利用CYHA:Ce³⁺,Tb³⁺绿色荧光粉制备得到了高显色性暖白光LED (显色指数Ra = 92.6；色温CCT = 3638 K；色坐标(0.388, 0.359)；电流60 mA)。相比之下，利用商用绿色(Ba,Sr)₂SiO₄:Eu²⁺荧光粉制备的白光LED器件显色指数Ra仅为80.5 (色温CCT = 3648 K；色坐标(0.397, 0.385)；电流60 mA)。鉴于CYHA:Ce³⁺,Tb³⁺绿色荧光粉的原材料易得、制备工艺简单、发光性能优良的优点，该荧光粉有望用于近紫外激发的白光LED照明器件中。该研究成果以题为“Highly efficient near-UV-excitable Ca₂YHf₂Al₃O₁₂:Ce³⁺,Tb³⁺ green-emitting garnet phosphors with potential application in high color rendering warm-white LEDs”发表在国际著名期刊Journal of Materials Chemistry C上，第一作者为太原理工大学硕士研究生王少荧。

【图文导读】

图一、CYHA:Ce³⁺,Tb³⁺绿色荧光粉的物相与晶体结构表征

(a) CYHA:Ce³⁺,Tb³⁺荧光粉的XRD图。

(b) CYHA:0.03Ce³⁺,0.6Tb³⁺绿色荧光粉的XRD精修图。

(c) CYHA:0.03Ce³⁺,0.6Tb³⁺绿色荧光粉的晶体结构图。

图二、CYHA:Ce³⁺,Tb³⁺绿色荧光粉的形貌与组分表征

(a, b) CYHA:0.03Ce³⁺,0.6Tb³⁺绿色荧光粉的SEM图。

(c) CYHA:0.03Ce³⁺,0.6Tb³⁺绿色荧光粉的元素mapping图。

(d) CYHA:0.03Ce³⁺,0.6Tb³⁺绿色荧光粉的EDS谱图。

图三、CYHA:Ce³⁺,Tb³⁺绿色荧光粉的发光性质

(a) CYHA:0.03Ce³⁺荧光粉的激发和发射光谱。

(b) CYHA:0.6Tb³⁺荧光粉的激发和发射光谱。

(c) CYHA:0.6Tb³⁺荧光粉的激发光谱与CYHA:0.03Ce³⁺荧光粉的发射光谱对比图。

(d) CYHA:0.03Ce³⁺,0.6Tb³⁺荧光粉的激发和发射光谱。

图四、CYHA:Ce³⁺,Tb³⁺绿色荧光粉的发光性质

(a) CYHA:0.03Ce³⁺,xTb³⁺荧光粉的激发光谱。

(b) CYHA:0.03Ce³⁺,xTb³⁺荧光粉的激发强度随Tb³⁺掺杂浓度的变化。

(c) CYHA:0.03Ce³⁺,xTb³⁺荧光粉的发射光谱。

(d) Ce³⁺→Tb³⁺能量传递效率与Tb³⁺离子掺杂浓度关系图。

(e) Ce³⁺离子的I_S0/I_S与C^6/3、C^8/3和C^10/3的关系图。

(f) Ce³⁺→Tb³⁺能量传递过程示意图。

(g) CYHA:0.03Ce³⁺,xTb³⁺荧光粉的CIE色度图。

图五、CYHA:0.03Ce³⁺,0.6Tb³⁺与CYHA:0.6Tb³⁺荧光粉的发光对比

(a) CYHA:0.03Ce³⁺,0.6Tb³⁺与CYHA:0.6Tb³⁺荧光粉的发射光谱对比图。

(b) CYHA:0.03Ce³⁺,0.6Tb³⁺与CYHA:0.6Tb³⁺荧光粉的CIE色度图。

(c) CYHA:0.6Tb³⁺荧光粉的量子效率。

(d) CYHA:0.03Ce³⁺,0.6Tb³⁺荧光粉的量子效率。

图六、CYHA:0.03Ce³⁺,0.6Tb³⁺与(Ba,Sr)₂SiO₄:Eu²⁺的发光对比

(a) CYHA:0.03Ce³⁺,0.6Tb³⁺和商用(Ba,Sr)₂SiO₄:Eu²⁺绿色荧光粉的发射光谱。

(b) CYHA:0.03Ce³⁺,0.6Tb³⁺与(Ba,Sr)₂SiO₄:Eu²⁺的最佳发射峰的强度对比。

图七、基于CYHA:0.03Ce³⁺,0.6Tb³⁺荧光粉封装的白光LED器件

(a) 白光LED在120 mA电流下的发射光谱。

(b) 不同电流驱动下白光LED灯的发射光谱。

(c) 不同电流驱动下白光LED的CIE色度图。

图八、白光LED器件的光电性能对比图

(a) 用(Ba,Sr)₂SiO₄:Eu²⁺商用绿色荧光粉制备的LED器件在60 mA电流下的发射光谱。

(b) 用CYHA:0.03Ce³⁺,0.6Tb³⁺绿色荧光粉制备的LED器件在60 mA电流下的发射光谱。

(c) 两个白光LED的CIE色度图。

【小结】

综上所述，本研究报道了一种近紫外光激发的高效绿色CYHA:Ce³⁺,Tb³⁺荧光粉，其内量子效率高达78.5%，外量子效率高达56%。利用该绿色荧光粉制得了显色指数高达92.6的暖白光LED器件，其显色性能优于商用(Ba,Sr)₂SiO₄:Eu²⁺绿色荧光粉。该研究为开发高效LED绿色荧光材料提供了新的策略。

文献链接：

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

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。

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