荧光材料是固态照明技术中将芯片激发光转换为其他可见光的关键材料，其性能直接决定了固态照明器件的显色指数、流明效率和可靠性等三大技术参数。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。
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。
本研究工作通过合成具有沿轴向生长的棒状介孔羟基磷灰石（HA），结合放电等离子体烧结技术，在850℃下快速烧结制备得到透明HA陶瓷。得益于HA纳米棒的高长径比和HA晶粒各晶面间的生长推动力差，在轴向压力的作用下，陶瓷晶粒在垂直于压力方向产生明显的取向生长：晶粒主光轴（C轴）在垂直于入射光方向平面内排布，入射光垂直于光轴穿过晶粒，传播方向不发生改变，从而形成一种纳米波片机制。该方法有效消除了陶瓷内的双折射，使HA陶瓷基体的透过率在可见光区域接近理论值（达80%以上）。
得益于介孔HA粉体的高烧结活性以及快速低温烧结制度（850℃，<10min），荧光粉均匀分散于陶瓷基体内，且无界面反应。较好地保留了荧光粉原有的发光性能，其外量子产率达原始荧光粉的90%以上。利用HA基复合荧光陶瓷作为光转换材料，以贴片式封装技术，进一步组装得到高性能白光LEDs。与硅胶封装的LED相比，该LED外量子效率更高，热稳定性、发光稳定性更为优异。此外，由于引入了瑞利散射，入射蓝光利用率得到进一步提高，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。
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。
这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是东华大学博士研究生黄平。
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Nano Wave Plates Structuring and Index Matching in Transparent Hydroxyapatite-YAG: Ce Composite Ceramics for High Luminous Efficiency White Light-Emitting Diodes
Ping Huang, Beiying Zhou, Qi Zheng, Yuan Tian, Mengmeng Wang, Lianjun Wang, Jianlin Li, Wan Jiang
Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201905951
导师介绍
江莞
https://www.x-mol.com/university/faculty/17560
王连军
https://www.x-mol.com/university/faculty/17570
李建林
https://www.x-mol.com/university/faculty/27927
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