东华大学在复合荧光陶瓷领域取得进展

陶瓷基荧光转换材料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，采用透明陶瓷封装商用荧光粉可有效规避传统稀土离子掺杂型荧光陶瓷存在的易浓度淬灭及浓度难以调控等问题，因此受到广泛关注。但由于存在第二相（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。

基于此，东华大学材料学院江莞教授团队报道了一种羟基磷灰石基复合荧光陶瓷材料，通过晶粒尺寸调控和纳米波片结构设计，巧妙利用瑞利散射进一步提高蓝光转换效率，获得了发光效率高达170 lm/W且色温低于4500 K的透射式WLED器件。相关论文以“基于纳米波片结构和折射率匹配原则制备白光LED用高效透明羟基磷灰石复合荧光陶瓷”为题，发表在本领域高水平期刊《先进材料》上，（影响因子：25.809）。材料学院博士生黄平为第一作者，江莞、王连军及李建林教授（现就职于海南大学）为共同通讯作者。该研究成果得到了国家自然科学基金重点及面上项目、上海市教委重大项目等的资助。

研究工作采用水热合成的棒状介孔羟基磷灰石（HA）为原料，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。在轴向压力的作用下，陶瓷晶粒垂直于压力方向产生明显的取向生长，即晶粒光轴垂直于入射光方向排布，形成纳米波片机制，有效消除了陶瓷内的双折射，使陶瓷基体的透过率在可见光区域接近理论值（达80%以上）。

图1.透明陶瓷的制备流程及纳米波片结构示意图

进一步制备HA基复合荧光陶瓷，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。从而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。

图2.复合荧光陶瓷的实物图、激光共聚焦电镜图、SEM图及TEM图

图3.大功率LED的组装机理及相关的发光性能

研究工作引入纳米波片机制，使陶瓷晶粒光轴有序排列于垂直入射光平面内，显著消除双折射现象，提高陶瓷基体透过率。

图4.纳米波片机制示意图

此外，传统LED对入射蓝光的利用途径主要包括：直接入射蓝光激发荧光粉（I0）、经基质界面全反射蓝光激发荧光粉（Ir）以及经荧光粉反射蓝光激发荧光粉（Is）。而本工作制备得到的陶瓷晶粒大小约为入射光波长的1/3，能有效增强瑞利散射（IR），使入射蓝光发生偏转，进一步激发荧光粉背部，提高入射蓝光的利用率。

利用微观结构调控消除双折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。

图5.流明光效增强示意图

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201905951