高亮度固态照明用LuYAG∶Ce荧光陶瓷

黄新友; 王雁斌; 程梓秋; 陈昊鸿; 代正发; 田丰; 陈鹏辉; 胡松; 周国红; 李江

doi:10.37188/CJL.20220435

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高亮度固态照明用LuYAG∶Ce荧光陶瓷

材料合成及性能 | 更新时间：2023-10-27

- 高亮度固态照明用LuYAG∶Ce荧光陶瓷
  增强出版
- LuYAG∶Ce Transparent Ceramic Phosphors for High-brightness Solid-state Lighting Application
- 发光学报 2023年44卷第6期页码：964-974
- 作者机构：
  
  1.江苏大学材料科学与工程学院，江苏镇江　212013
  2.中国科学院上海硅酸盐究所透明陶瓷研究中心，上海　201899
  3.中国科学院大学材料科学与光电工程中心，北京　100049
- 作者简介：
  
  [ "黄新友（1963-），男，江苏镇江人，博士，教授，硕士生导师，2008年于江苏大学获得博士学位，主要从事发光材料和透明陶瓷等方面的研究。 E-mail： huangxy@ujs. edu. cn" ]
  [ "李江（1977-），男，浙江绍兴人，博士，研究员，博士生导师，2007年于中国科学院上海硅酸盐研究所获得博士学位，主要从事光功能透明陶瓷方面的研究。E-mail： lijiang@mail. sic. ac. cn" ]
- 基金信息：
  
  The Strategic Priority Research Program of The Chinese Academy of Sciences(XDA22010301)
- DOI：10.37188/CJL.20220435
  中图分类号： O482.31
- 收稿日期：2022-12-31，
  
  修回日期：2023-01-30，
  
  纸质出版日期：2023-06-05
- 稿件说明：
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黄新友,王雁斌,程梓秋等.高亮度固态照明用LuYAG∶Ce荧光陶瓷[J].发光学报,2023,44(06):964-974.

HUANG Xinyou,WANG Yanbin,CHENG Ziqiu,et al.LuYAG∶Ce Transparent Ceramic Phosphors for High-brightness Solid-state Lighting Application[J].Chinese Journal of Luminescence,2023,44(06):964-974.
黄新友,王雁斌,程梓秋等.高亮度固态照明用LuYAG∶Ce荧光陶瓷[J].发光学报,2023,44(06):964-974. DOI： 10.37188/CJL.20220435.

HUANG Xinyou,WANG Yanbin,CHENG Ziqiu,et al.LuYAG∶Ce Transparent Ceramic Phosphors for High-brightness Solid-state Lighting Application[J].Chinese Journal of Luminescence,2023,44(06):964-974. DOI： 10.37188/CJL.20220435.

摘要

实现高发光效率、高亮度和良好的热稳定性是固态照明的迫切要求。因此，用于高功率发光二极管或激光二极管（LED/LD）的高性能荧光转换材料具有重要的研究意义。在这项工作中，通过将Lu

离子引入YAG∶Ce荧光陶瓷中方法作为有效策略来改善YAG∶Ce荧光材料的发光性能。采用固相反应和真空烧结法制备了不同Lu

含量的（Lu，Y）

∶Ce荧光陶瓷（LuYAG∶Ce荧光陶瓷）。随着Lu

含量的增加，LuYAG∶Ce荧光陶瓷中的Y

位点被Lu

位点取代，Ce

的发射峰呈现从573 nm到563 nm的蓝移现象。当Lu

含量为60%时，通过将LuYAG∶Ce荧光陶瓷与蓝光LED组合，其发光强度达到最大值，流明效率达到114 lm∙W

-1

。使用450 nm激光源与LuYAG∶Ce荧光陶瓷构建了透射模式下的激光驱动照明装置。随着功率密度从2.2 W·mm

-2

增加到39 W·mm

-2

，Lu

含量为60%的荧光陶瓷光通量从128 lm增加到1 874 lm，且没有发光饱和的迹象，最佳发光效率达到128 lm·W

-1

。因此，LuYAG∶Ce荧光陶瓷有望成为高功率LED/LD照明的潜在荧光转换材料。

Abstract

Achieving high luminous efficiency， high brightness and good thermal stability is an urgent requirement for solid-state lighting. Therefore， the high-performance color converters for high-power light-emitting diodes or laser diodes （LEDs/LDs） are significant to be explored. In this work， an effective strategy to improve the luminescent properties of YAG∶Ce color converters through method of component regulation was realized in YAG∶Ce transparent ceramic phosphors（TCPs） by incorporating Lu

ions. We prepared （Lu，Y）

∶Ce TCPs（LuYAG∶Ce TCPs） with different Lu

contents by the solid-state reaction and vacuum sintering method. With the increase of Lu

content， the Y

sites in LuYAG∶Ce TCPs were substituted by Lu

sites， and the emission peaks of Ce

were blue-shifted from 573 nm to 563 nm. When the Lu

content was 60%， the emission intensity reached the maximum value and the luminous efficiency reached 114 lm∙W

-1

by combining the LuYAG∶Ce TCPs with a blue LED. A 450 nm laser source was used to construct a laser-driven lighting device in a transmission mode. As the power density increased from 2.2 W·mm

-2

to 39 W·mm

-2

， the luminous flux of the TCP with 60% Lu

substitution increased from 128 lm to 1 874 lm with no signs of luminescence saturation and the optimum luminous efficiency reached 128 lm·W

-1

. Thus， the LuYAG∶Ce TCPs are expected to be potential color conversion materials for high-power LEDs/LDs lighting.

关键词

Keywords

references

CI H N ， CHANG H L ， WANG R Y ， et al . Enhancement of heat dissipation in ultraviolet light-emitting diodes by a vertically oriented graphene nanowall buffer layer ［J］. Adv. Mater. ， 2019 ， 31 （ 29 ）： 1901624-1-8 . doi: 10.1002/adma.201901624 http://dx.doi.org/10.1002/adma.201901624

LING J R ， ZHOU Y F ， XU W T ， et al . Red-emitting YAG∶Ce， Mn transparent ceramics for warm WLEDs application ［J］. J. Adv. Ceram. ， 2020 ， 9 （ 1 ）： 45 - 54 . doi: 10.1007/s40145-019-0346-0 http://dx.doi.org/10.1007/s40145-019-0346-0

TANG Y ， LIU B ， YAN N ， et al . Perovskite quantum dot-coated YAG∶Ce composites for warm white light-emitting diodes ［J］. Opt. Mater. ， 2022 ， 127 ： 112309-1 - 9 . doi: 10.1016/j.optmat.2022.112309 http://dx.doi.org/10.1016/j.optmat.2022.112309

彭星淋，李淑星，刘泽华，等 . 大功率固态照明用荧光陶瓷研究进展［J］. 无机材料学报， 2021 ， 36 （ 8 ）： 807 - 819 . doi: 10.15541/jim20200652 http://dx.doi.org/10.15541/jim20200652

PENG X L ， LI S X ， LIU Z H ， et al . Phosphor ceramics for high-power solid-state lighting ［J］. J. Inorg. Mater. ， 2021 ， 36 （ 8 ）： 807 - 819 . （in Chinese） . doi: 10.15541/jim20200652 http://dx.doi.org/10.15541/jim20200652

PUST P ， SCHMIDT P J ， SCHNICK W . A revolution in lighting ［J］. Nat. Mater. ， 2015 ， 14 （ 5 ）： 454 - 458 . doi: 10.1038/nmat4270 http://dx.doi.org/10.1038/nmat4270

ZHANG J F ， GU G R ， DI X X ， et al . Optical characteristics of Ce， Eu∶YAG single crystal grown by Czochralski method ［J］. J. Rare Earths ， 2019 ， 37 （ 2 ）： 145 - 150 . doi: 10.1016/j.jre.2018.08.002 http://dx.doi.org/10.1016/j.jre.2018.08.002

邵秀晨，周圣明，唐燕如，等 . Ce∶YAG荧光陶瓷掺杂Gd对白光LED发光性能的影响［J］. 无机材料学报， 2018 ， 33 （ 10 ）： 1119 - 1123 . doi: 10.15541/jim20170616 http://dx.doi.org/10.15541/jim20170616

SHAO X C ， ZHOU S M ， TANG Y R ， et al . Luminescence characteristics of Ce∶YAG ceramic phosphors with Gd 3+ doping for white light-emitting diodes ［J］. J. Inorg. Mater. ， 2018 ， 33 （ 10 ）： 1119 - 1123 . （in Chinese） . doi: 10.15541/jim20170616 http://dx.doi.org/10.15541/jim20170616

XU J ， LIU X ， LI J . Solid⁃state lighting ［M］. IKESUE A. Processing of Ceramics ： Breakthroughs in Optical Materials. Hoboken： Wiley ， 2021 . doi: 10.1002/9781119538806.ch5 http://dx.doi.org/10.1002/9781119538806.ch5

ZHANG Y Q ， LIU J M ， ZHANG Y J ， et al . Robust YAG∶Ce single crystal for ultra-high efficiency laser lighting ［J］. J. Rare Earths ， 2022 ， 40 （ 5 ）： 717 - 724 . doi: 10.1016/j.jre.2021.03.006 http://dx.doi.org/10.1016/j.jre.2021.03.006

ZHAO H Y ， YU H Q ， XU J ， et al . Novel high-thermal-conductivity composite ceramic phosphors for high-brightness laser-driven lighting ［J］. J. Mater. Chem. C ， 2021 ， 9 （ 32 ）： 10487 - 10496 . doi: 10.1039/d1tc02202d http://dx.doi.org/10.1039/d1tc02202d

ZHAO H Y ， LI Z ， ZHANG M W ， et al . High-performance Al 2 O 3 -YAG∶Ce composite ceramic phosphors for miniaturization of high-brightness white light-emitting diodes ［J］. Ceram. Int. ， 2020 ， 46 （ 1 ）： 653 - 662 . doi: 10.1016/j.ceramint.2019.09.017 http://dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.09.017

TIAN Y N ， CHEN J ， YI X Z ， et al . A new BaAl 2 O 4 -YAG∶Ce composite ceramic phosphor for white LEDs and LDs lighting ［J］. J. Eur. Ceram. Soc. ， 2021 ， 41 （ 7 ）： 4343 - 4348 . doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2021.02.027 http://dx.doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.02.027

LU H ， SONG Q S ， XU X D ， et al . Improving the CRI of Al 2 O 3 -YAG∶Ce eutectic for high-power white LEDs applications： energy-transfer and co-luminescence ［J］. Opt. Mater. ， 2021 ， 121 ： 111415 . doi: 10.1016/j.optmat.2021.111415 http://dx.doi.org/10.1016/j.optmat.2021.111415

LIU X ， QIAN X L ， ZHENG P ， et al . Composition and structure design of three-layered composite phosphors for high color rendering chip-on-board light-emitting diode devices ［J］. J. Adv. Ceram. ， 2021 ， 10 （ 4 ）： 729 - 740 . doi: 10.1007/s40145-021-0467-0 http://dx.doi.org/10.1007/s40145-021-0467-0

YAO Q ， HU P ， SUN P ， et al . YAG∶Ce 3+ transparent ceramic phosphors brighten the next-generation laser-driven lighting ［J］. Adv. Mater. ， 2020 ， 32 （ 19 ）： 1907888-1-7 . doi: 10.1002/adma.201907888 http://dx.doi.org/10.1002/adma.201907888

TIAN Y N ， TANG Y R ， YI X Z ， et al . The analyses of structure and luminescence in （Mg y Y 3- y ）（Al 5- y Si y ）O 12 and Y 3 （Mg x Al 5-2 x Si x ）O 12 ceramic phosphors ［J］. J. Alloys Compd. ， 2020 ， 813 ： 152236-1 - 8 . doi: 10.1016/j.jallcom.2019.152236 http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.152236

JIA J J ， QIANG Y C ， XU J F ， et al . A comparison study on the substitution of Y 3+ -Al 3+ by M 2+ -Si 4+ （ M =Ba， Sr， Ca， Mg） in Y 3 Al 5 O 12 ∶Ce 3+ phosphor ［J］. J. Am. Ceram. Soc. ， 2020 ， 103 （ 9 ）： 5111 - 5119 . doi: 10.1111/jace.17204 http://dx.doi.org/10.1111/jace.17204

DU A C ， DU Q Y ， LIU X ， et al . Ce∶YAG transparent ceramics enabling high luminous efficacy for high-power LEDs/LDs ［J］. J. Inorg. Mater. ， 2021 ， 36 （ 8 ）： 883 - 892 .

ZHENG P ， LI S X ， WEI R ， et al . Unique design strategy for laser-driven color converters enabling superhigh-luminance and high-directionality white light ［J］. Laser Photonics Rev. ， 2019 ， 13 （ 10 ）： 1900147-1-10 . doi: 10.1002/lpor.201900147 http://dx.doi.org/10.1002/lpor.201900147

MA Y L ， ZHANG L ， ZHOU T Y ， et al . Weak thermal quenching and tunable luminescence in Ce∶Y 3 （Al， Sc） 5 O 12 transparent ceramics for high power white LEDs/LDs ［J］. Chem. Eng. J. ， 2020 ， 398 ： 125486-1 - 14 . doi: 10.1016/j.cej.2020.125486 http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2020.125486

MA Y L ， ZHANG L ， HUANG J ， et al . Broadband emission Gd 3 Sc 2 Al 3 O 12 ∶Ce 3+ transparent ceramics with a high color rendering index for high-power white LEDs/LDs ［J］. Opt. Express ， 2021 ， 29 （ 6 ）： 9474 - 9493 . doi: 10.1364/oe.417464 http://dx.doi.org/10.1364/oe.417464

FENG S W ， QIN H M ， WU G Q ， et al . Spectrum regulation of YAG∶Ce transparent ceramics with Pr， Cr doping for white light emitting diodes application ［J］. J. Eur. Ceram. Soc. ， 2017 ， 37 （ 10 ）： 3403 - 3409 . doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2017.03.061 http://dx.doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.03.061

李江，李万圆，刘欣，等 . 固态照明/显示用荧光陶瓷研究进展［J］. 发光学报， 2021 ， 42 （ 5 ）： 580 - 604 . doi: 10.37188/CJL.20200402 http://dx.doi.org/10.37188/CJL.20200402

LI J ， LI W Y ， LIU X ， et al . Research progress on phosphor ceramics for solid-state lighting/display ［J］. J. Inorg. Mater. ， 2021 ， 42 （ 5 ）： 580 - 604 . （in Chinese） . doi: 10.37188/CJL.20200402 http://dx.doi.org/10.37188/CJL.20200402

丁慧，胡盼，刘永福，等 . LuAG∶Ce 3+ 在激光照明应用中的研究进展［J］. 发光学报， 2021 ， 42 （ 10 ）： 1531 - 1548 . doi: 10.37188/cjl.20210110 http://dx.doi.org/10.37188/cjl.20210110

DING H ， HU P ， LIU Y F ， et al . Recent progress of LuAG∶Ce 3+ for white laser diode lighting application ［J］. Chin. J. Lumin. ， 2021 ， 42 （ 10 ）： 1531 - 1548 . （in Chinese） . doi: 10.37188/cjl.20210110 http://dx.doi.org/10.37188/cjl.20210110

LING J R ， ZHANG Y ， YANG J ， et al . A single-structured LuAG∶Ce，Mn phosphor ceramics with high CRI for high-power white LEDs ［J］. J. Am. Ceram. Soc. ， 2022 ， 105 （ 9 ）： 5738 - 5750 . doi: 10.1111/jace.18531 http://dx.doi.org/10.1111/jace.18531

XU J ， WANG J ， GONG Y X ， et al . Investigation of an LuAG∶Ce translucent ceramic synthesized via spark plasma sintering： towards a facile synthetic route， robust thermal performance， and high-power solid state laser lighting ［J］. J. Eur. Ceram. Soc. ， 2018 ， 38 （ 1 ）： 343 - 347 . doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2017.07.036 http://dx.doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.07.036

ZHOU T Y ， HOU C ， ZHANG L ， et al . Efficient spectral regulation in Ce∶Lu 3 （Al，Cr） 5 O 12 and Ce∶Lu 3 （Al，Cr） 5 O 12 /Ce∶Y 3 Al 5 O 12 transparent ceramics with high color rendering index for high-power white LEDs/LDs ［J］. J. Adv. Ceram. ， 2021 ， 10 （ 5 ）： 1107 - 1118 . doi: 10.1007/s40145-021-0496-8 http://dx.doi.org/10.1007/s40145-021-0496-8

刘强，李万圆，刘欣，等 . 高亮度固态照明用黄绿光发射Ce∶LuAG透明陶瓷［J］. 发光学报， 2021 ， 42 （ 10 ）： 1520 - 1530 . doi: 10.37188/cjl.20210116 http://dx.doi.org/10.37188/cjl.20210116

LIU Q ， LI W Y ， LIU X ， et al . Green-yellow emission Ce∶LuAG transparent ceramics for high-brightness solid-state lighting ［J］. Chin. J. Lumin. ， 2021 ， 42 （ 10 ）： 1520 - 1530 . （in Chinese） . doi: 10.37188/cjl.20210116 http://dx.doi.org/10.37188/cjl.20210116

TANG F ， SU Z C ， LAO X Z ， et al . The key roles of 4f-level splitting and vibronic coupling in the high-efficiency luminescence of Ce 3+ ion in LuAG transparent ceramic phosphors ［J］. J. Lumin. ， 2020 ， 225 ： 117360 . doi: 10.1016/j.jlumin.2020.117360 http://dx.doi.org/10.1016/j.jlumin.2020.117360

李金生，孙旭东，李晓东，等 . 硬脂酸盐熔融法合成（Y， Lu）AG∶Ce荧光粉及荧光性能研究［J］. 无机材料学报， 2015 ， 30 （ 2 ）： 177 - 182 . doi: 10.15541/jim20140254 http://dx.doi.org/10.15541/jim20140254

LI J S ， SUN X D ， LI X D ， et al . （Y， Lu）AG∶Ce phosphors synthesized by stearate melting method and their fluorescence properties ［J］. J. Inorg. Mater. ， 2015 ， 30 （ 2 ）： 177 - 182 . （in Chinese） . doi: 10.15541/jim20140254 http://dx.doi.org/10.15541/jim20140254

KUMAR S A ， SUBALAKSHMI K ， KUMAR K A ， et al . Microstructure， luminescence， and dielectric properties of microwave-sintered Ce∶LuAG nano-ceramics ［J］. Ceram. Int. ， 2020 ， 46 （ 17 ）： 27092 - 27098 . doi: 10.1016/j.ceramint.2020.07.186 http://dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.07.186

CHEN L ， CHEN X L ， LIU F Y ， et al . Charge deformation and orbital hybridization： intrinsic mechanisms on tunable chromaticity of Y 3 Al 5 O 12 ∶Ce 3+ luminescence by doping Gd 3+ for warm white LEDs ［J］. Sci. Rep. ， 2015 ， 5 ： 11514-1 - 17 . doi: 10.1038/srep11514 http://dx.doi.org/10.1038/srep11514

XU Y R ， LI S X ， ZHENG P ， et al . A search for extra-high brightness laser-driven color converters by investigating thermally-induced luminance saturation ［J］. J. Mater. Chem. C ， 2019 ， 7 （ 37 ）： 11449 - 11456 . doi: 10.1039/c9tc03919h http://dx.doi.org/10.1039/c9tc03919h

YANG X F ， FANG Z Q ， KONG W B ， et al . Efficient Tm∶LuYAG laser resonantly pumped by an Er∶LuYAG laser ［J］. Opt. Eng. ， 2022 ， 61 （ 8 ）： 086106 . doi: 10.1117/1.oe.61.8.086106 http://dx.doi.org/10.1117/1.oe.61.8.086106

LING J R ， XU W T ， YANG J ， et al . The effect of Lu 3+ doping upon YAG∶Ce phosphor ceramics for high-power white LEDs ［J］. J. Eur. Ceram. Soc. ， 2021 ， 41 （ 12 ）： 5967 - 5976 . doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2021.05.005 http://dx.doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.05.005

FENG Y G ， XIE T F ， CHEN X P ， et al . Fabrication， microstructure and optical properties of Yb∶Lu x Y 3- x Al 5 O 12 transparent ceramics ［J］. Opt. Mater. ， 2020 ， 110 ： 110478 . doi: 10.1016/j.optmat.2020.110478 http://dx.doi.org/10.1016/j.optmat.2020.110478

LI D Y ， XU W ， ZHOU D L ， et al . Cerium-doped perovskite nanocrystals for extremely high-performance deep-ultraviolet photoelectric detection ［J］. Adv. Opt. Marer. ， 2021 ， 9 （ 22 ）： 2100423-1-8 . doi: 10.1002/adom.202100423 http://dx.doi.org/10.1002/adom.202100423

CAO X ， SUN S C ， LU B ， et al . Spectral photoluminescence properties of YAG∶Ce， R （ R ： Gd 3+ ， Pr 3+ ， Gd 3+ and Pr 3+ ） transparent fluorescent thin film prepared by pulse laser deposition ［J］. J. Lumin. ， 2020 ， 223 ： 117222-1 - 9 . doi: 10.1016/j.jlumin.2020.117222 http://dx.doi.org/10.1016/j.jlumin.2020.117222

DORENBOS P . Relating the energy of the ［Xe］ 5 d 1 configuration of Ce3+ in inorganic compounds with anion polarizability and cation electronegativity ［J］. Phys. Rev. B， 2002， 65 （ 23 ）： 235110-1-1 . doi: 10.1103/physrevb.65.235110 http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.65.235110

SEIJO L ， BARANDIARAN Z . Host effects on the optically active 4f and 5d levels of Ce 3+ in garnets ［J］. Phys. Chem. Chem. Phys. ， 2013 ， 15 （ 44 ）： 19221 - 19231 . doi: 10.1039/c3cp53465k http://dx.doi.org/10.1039/c3cp53465k

LIU Z H ， LI S X ， HUANG Y H ， et al . Composite ceramic with high saturation input powder in solid-state laser lighting： microstructure， properties， and luminous emittances ［J］. Ceram. Int. ， 2018 ， 44 （ 16 ）： 20232 - 20238 . doi: 10.1016/j.ceramint.2018.08.008 http://dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.08.008

FANG H L ， ZHOU B Y ， WANG J C ， et al . Y 2 O 3 -YAG∶Ce composite phosphor ceramics with enhanced light extraction efficiency for solid-state laser lighting ［J］. J. Mater. Chem. C ， 2022 ， 10 （ 42 ）： 16147 - 16156 . doi: 10.1039/d2tc03606a http://dx.doi.org/10.1039/d2tc03606a

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