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
- 纸质出版日期：2023-06-05，
  
  收稿日期：2022-12-31，
  
  修回日期：2023-01-30，
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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

（Lu，Y）3Al5O12∶Ce荧光陶瓷固态照明荧光转换材料高亮度

Keywords

（Lu，Y）3Al5O12∶Ce transparent ceramic phosphors（TCPs）solid-state lightingcolor conversion materialshigh-brightness

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.201901624http://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/s40145-019-0346-0http://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.2022.112309http://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/jim20200652http://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/jim20200652http://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/nmat4270http://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.2018.08.002http://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/jim20170616http://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 Gd3+ doping for white light-emitting diodes ［J］. J. Inorg. Mater.， 2018， 33（10）： 1119-1123. （in Chinese）. doi: 10.15541/jim20170616http://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.ch5http://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.2021.03.006http://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/d1tc02202dhttp://dx.doi.org/10.1039/d1tc02202d

ZHAO H Y， LI Z， ZHANG M W， et al. High-performance Al2O3-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.2019.09.017http://dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.09.017

TIAN Y N， CHEN J， YI X Z， et al. A new BaAl2O4-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.2021.02.027http://dx.doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.02.027

LU H， SONG Q S， XU X D， et al. Improving the CRI of Al2O3-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.2021.111415http://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/s40145-021-0467-0http://dx.doi.org/10.1007/s40145-021-0467-0

YAO Q， HU P， SUN P， et al. YAG∶Ce3+ transparent ceramic phosphors brighten the next-generation laser-driven lighting ［J］. Adv. Mater.， 2020， 32（19）： 1907888-1-7. doi: 10.1002/adma.201907888http://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 （MgyY3-y）（Al5-ySiy）O12 and Y3（MgxAl5-2xSix）O12 ceramic phosphors ［J］. J. Alloys Compd.， 2020， 813： 152236-1-8. doi: 10.1016/j.jallcom.2019.152236http://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 Y3+-Al3+ by M2+-Si4+（M=Ba， Sr， Ca， Mg） in Y3Al5O12∶Ce3+ phosphor ［J］. J. Am. Ceram. Soc.， 2020， 103（9）： 5111-5119. doi: 10.1111/jace.17204http://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.201900147http://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∶Y3（Al， Sc）5O12 transparent ceramics for high power white LEDs/LDs ［J］. Chem. Eng. J.， 2020， 398： 125486-1-14. doi: 10.1016/j.cej.2020.125486http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2020.125486

MA Y L， ZHANG L， HUANG J， et al. Broadband emission Gd3Sc2Al3O12∶Ce3+ 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.417464http://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.2017.03.061http://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.20200402http://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.20200402http://dx.doi.org/10.37188/CJL.20200402

丁慧，胡盼，刘永福，等. LuAG∶Ce3+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.20210110http://dx.doi.org/10.37188/cjl.20210110

DING H， HU P， LIU Y F， et al. Recent progress of LuAG∶Ce3+ for white laser diode lighting application ［J］. Chin. J. Lumin.， 2021， 42（10）： 1531-1548. （in Chinese）. doi: 10.37188/cjl.20210110http://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.18531http://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.2017.07.036http://dx.doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.07.036

ZHOU T Y， HOU C， ZHANG L， et al. Efficient spectral regulation in Ce∶Lu3（Al，Cr）5O12 and Ce∶Lu3（Al，Cr）5O12/Ce∶Y3Al5O12 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/s40145-021-0496-8http://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.20210116http://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.20210116http://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 Ce3+ ion in LuAG transparent ceramic phosphors ［J］. J. Lumin.， 2020， 225： 117360. doi: 10.1016/j.jlumin.2020.117360http://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/jim20140254http://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/jim20140254http://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.2020.07.186http://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 Y3Al5O12∶Ce3+ luminescence by doping Gd3+ for warm white LEDs ［J］. Sci. Rep.， 2015， 5： 11514-1-17. doi: 10.1038/srep11514http://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/c9tc03919hhttp://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.61.8.086106http://dx.doi.org/10.1117/1.oe.61.8.086106

LING J R， XU W T， YANG J， et al. The effect of Lu3+ 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.2021.05.005http://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∶LuxY3-xAl5O12 transparent ceramics ［J］. Opt. Mater.， 2020， 110： 110478. doi: 10.1016/j.optmat.2020.110478http://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.202100423http://dx.doi.org/10.1002/adom.202100423

CAO X， SUN S C， LU B， et al. Spectral photoluminescence properties of YAG∶Ce， R （R： Gd3+， Pr3+， Gd3+ and Pr3+） transparent fluorescent thin film prepared by pulse laser deposition ［J］. J. Lumin.， 2020， 223： 117222-1-9. doi: 10.1016/j.jlumin.2020.117222http://dx.doi.org/10.1016/j.jlumin.2020.117222

DORENBOS P. Relating the energy of the ［Xe］5d1 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.65.235110http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.65.235110

SEIJO L， BARANDIARAN Z. Host effects on the optically active 4f and 5d levels of Ce3+ in garnets ［J］. Phys. Chem. Chem. Phys.， 2013， 15（44）： 19221-19231. doi: 10.1039/c3cp53465khttp://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.2018.08.008http://dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.08.008

FANG H L， ZHOU B Y， WANG J C， et al. Y2O3-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/d2tc03606ahttp://dx.doi.org/10.1039/d2tc03606a

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