研究背景
白光LED具有發(fā)光效率高、使用壽命長、節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)成為新一代照明光源。目前商用白光LED的主要實(shí)現(xiàn)方式是采用藍(lán)光LED芯片與黃色YAG:Ce3+熒光粉組合得到白光，但是這種組合方式由于缺少紅光成分導(dǎo)致得到的白光LED器件顯色指數(shù)低(Ra < 80)，色溫較高(CCT > 6000 K)，不能滿足高質(zhì)量照明的需求。在眾多提高白光LED器件的顯色指數(shù)的方式中，在Ce3+激活的石榴石基熒光粉中共摻雜Mn并通過Ce-Mn的能量傳遞來提高器件的顯色指數(shù)引起了研究人員的關(guān)注。雖然通過在Ce3+激活的石榴石基質(zhì)的共摻雜Mn可以提高器件的顯色指數(shù)，但是器件的顯色指數(shù)仍然滿足不了高質(zhì)量照明的需求。此外，關(guān)于Mn在750 nm左右的深紅色發(fā)光來源目前仍不明確，因此，研究Mn在石榴石結(jié)構(gòu)中的格位占據(jù)情況具有重要的意義。
成果簡介
近日，廣東省科學(xué)院資源利用與稀土開發(fā)研究所(原廣東省科學(xué)院稀有金屬研究所)倪海勇教授團(tuán)隊(duì)與中山大學(xué)吳明娒教授團(tuán)隊(duì)等合作，通過化學(xué)單元共取代策略以[Ca2+-Si4+]共取代[Al3+-Al3+]單元，構(gòu)建了石榴石結(jié)構(gòu)的CaY2Al4SiO12(CYAS)。作者在該基質(zhì)中利用Ce3+-Mn2+能量傳遞，獲得在藍(lán)光激發(fā)下發(fā)射光譜覆蓋范圍廣且顏色變化可調(diào)的系列熒光粉，并與藍(lán)光LED器件封裝得到了顯色指數(shù)大于90的白光LED器件。
作者通過X射線粉末衍射(XRD)及Rietveld結(jié)構(gòu)精修解析了CYAS:Ce,Mn熒光粉的晶體結(jié)構(gòu)。X射線光電子能譜(XPS)和電子順磁共振譜譜(EPR)結(jié)果證明樣品中Ce和Mn的價態(tài)分別為+3和+2。熒光光譜和熒光壽命共同證實(shí)了Mn2+在CYAS基質(zhì)中占據(jù)兩個不同的格位。在460 nm藍(lán)光激發(fā)下，CYAS:Ce3+,Mn2+熒光粉在480-800nm范圍呈現(xiàn)三個寬的發(fā)射帶。作者計(jì)算了Mn2+在不同格位中的晶體場強(qiáng)度，確定了光譜中位于615 nm左右的紅光和750 nm左右的深紅光分別來源于Mn2+在Ca2+/Y3+格位和六配位的Al3+格位的發(fā)光。
作者對CYAS:Ce3+,Mn2+系列熒光粉在LED上的潛在應(yīng)用展開了研究，發(fā)現(xiàn)該系列熒光粉的猝滅溫度均高于200 ℃，具有較好的熒光熱穩(wěn)定性。最終作者將所合成的熒光粉與藍(lán)光LED芯片封裝得到了顯色指數(shù)高達(dá)90.5的白光LED器件。
圖文導(dǎo)讀
圖1 XRD Rietveld精修結(jié)果(a)，CaY2Al4SiO12的晶體結(jié)構(gòu)圖(b)，晶胞體積與Mn濃度的關(guān)系圖(c)和陽離子與氧離子之間的鍵長與Mn濃度的關(guān)系圖(d-f)。
圖2 CYAS:0.02Ce,0.30Mn的XPS譜(a)，Ce3d的高分辨XPS譜(b)，Mn2p的高分辨XPS譜(c)，Mn3s的高分辨XPS譜(d)和CYAS:0.02Ce,0.05Mn中Mn的EPR(e)。
圖3 CYAS: Ce3+的激發(fā)和發(fā)射光譜圖(a)，CYAS: Mn2+的激發(fā)和發(fā)射光譜圖(b)，CYAS: Ce3+,Mn2+的激發(fā)和發(fā)射光譜圖(c)，Ce3+和Mn2+在CYAS:0.02Ce3+,0.1Mn2+中的熒光壽命衰減曲線圖(d)和Ce3+-Mn2+之間的能量傳遞示意圖(e)。
圖4 CYAS:0.02Ce3+,xMn2+熒光粉(x = 0.00- 0.30)高斯擬合圖(a)，歸一化的發(fā)射光譜圖，插圖為量子效率與Mn2+摻雜濃度的關(guān)系圖(b)和色坐標(biāo)圖(c) (λex= 460 nm)。
圖5 利用CYAS:Ce3+,xMn2+熒光粉(x = 0, 0.10, 0.30)封裝得到白光LED器件的電致發(fā)光光譜圖(a)和對應(yīng)的色坐標(biāo)圖(b)。
論文信息
文章的第一作者是廣東省科學(xué)院資源利用與稀土開發(fā)研究所(原廣東省科學(xué)院稀有金屬研究所)張秋紅正高級工程師，廣東省科學(xué)院資源利用與稀土開發(fā)研究所李俊豪博士和倪海勇教授以及中山大學(xué)的吳明娒教授為本文的共同通訊作者。
CaY2Al4SiO12:Ce3+,Mn2+:asingle component phosphor to produce high color rendering index WLEDs with ablue chip，Qiuhong Zhang，JunhaoLi, Wei Jiang, Litian Lin, Jianhong Ding, Mikhail G.Brik, Maxim S.Molokeew,Haiyong Ni and Mingmei Wu,DOI:10.1039/d1tc01770e，2021.
論文連接：https://doi.org/10.1039/D1TC01770E
