激光照明具有超高亮度和准直性，在汽车大灯、航空航海照明、军用手电、激光投影仪和影院以及激光电视等领域具有广泛的应用前景，被认为是新一代的大功率、高亮度照明技术。目前，激光照明主要由蓝光激光芯片与发光材料耦合得到白光光源。由于激光的超高光功率密度，其对发光材料及相应的光转换器件提出了更为严苛的要求。应用于激光照明的发光材料需具有高量子效率、优异的热稳定性能和短的荧光寿命，相应的光转换器件则需要精心设计以达到高效散热，从而有效应对激光激发带来的严重热效应和光饱和，最终获得高光效和高可靠性的激光驱动白光光源。当前，激光照明所用的发光材料主要是以Y3Al5O12:Ce3+（YAG:Ce）为代表的石榴石结构荧光粉，并围绕它进行了一系列的单晶、荧光玻璃（PiG）、荧光陶瓷等光转换器件的设计。然而，YAG:Ce本身的红光成分不足，且热猝灭较大，仍然严重制约着激光照明光源品质（如显色、色彩饱和度、色温等）的提升。因此，开发适合激光激发的新型发光材料备受关注，但迄今为止，进展缓慢。

【成果简介】

近日，厦门大学解荣军教授、李淑星助理教授和中国计量大学王乐教授（共同通讯作者）等人采用固溶策略，将同构的LiSi2N3和Si2N2O引入到CaAlSiN3基质中，成功制备了一种三元固溶体荧光粉Ca1-x-yLixAl1-x-ySi1+x+yN3-yOy:Ce3+ (CALSON:Ce)。该固溶体荧光粉在蓝光（λex = 450 nm）激发下，可实现高效的宽谱橙黄光（λem = 580 nm）发射，外量子效率可达41.5%；同时表现出十分优异的热稳定性能，在200℃的发光强度损失仅为9%，远低于CaAlSiN3:Ce3+（25%）。通过构效分析的研究表明，荧光粉热稳定性能的提升主要得益于固溶体形成过程中基质禁带宽度的展宽（5.21 → 5.50 eV）。在此基础上，研究团队将CALSON:Ce制成了荧光玻璃薄膜，用作光转换器件与蓝光激光芯片耦合，其发光饱和阈值达到17.8 W/mm2，成功获得了超高亮度的白光光源（光效为781 lm/mm2，显色指数为70），并表现出了优于YAG:Ce的光学品质。通过多元固溶体的设计，该研究不仅获得了一种非常有商业应用潜力的激光荧光粉，而且为激光荧光粉的设计提供了新的思路。相关结果以“Ternary solid solution phosphors Ca1-x-yLixAl1-x-ySi1+x+yN3-yOy:Ce3+ with enhanced thermal stability for high-power laser lighting”为题发表在Chemical Engineering Journal上。

【图文导读】

 图1. 固溶体荧光粉的局域结构与形貌(a-c) 固溶体荧光粉的29Si、27Al和7Li固态NMR谱；(d) CALSON:0.01Ce (x = 0.15, y = 0.10)荧光粉的荧光照片(λex = 380 nm)；(e) CALSON:0.01Ce (x = 0.15, y = 0.10)荧光粉的SEM照片；(f-l) CALSON:0.01Ce (x = 0.15, y = 0.10)荧光粉的EDS元素分布图；(m-o) CALSON:0.01Ce (x = 0.15, y = 0.10)荧光粉的TEM照片及SAED花样。

图2. 固溶体荧光粉的光学性质(a-b) CALSN:0.01Ce (x = 0-0.2)荧光粉的归一化激发光谱(λem = 580 nm)与发射光谱(λex = 450 nm)；(c) CALSON:0.01Ce (x = 0.15, y = 0-0.15)荧光粉的归一化发射光谱(λex = 450 nm)；(d) 不同掺杂浓度的CALSON:zCe (x = 0.15, y = 0-0.15, z = 0.002-0.05)荧光粉的归一化发射光谱(λex = 450 nm)，内插为相应的色坐标；(e) CaAlSiN3:0.01Ce、CALSN:0.01Ce (x = 0.15)、CALSON:0.01Ce (x = 0.15, y = 0.1)的发光衰减曲线；(f-g) 荧光寿命与x、y的关系；(h) CaAlSiN3:Ce、CALSN:Ce (x = 0.15)、CALSON:Ce (x = 0.15, y = 0.1)的禁带变化及Ce3+-5d能级示意图。

图3. 固溶体荧光粉的热猝灭性能(a) CaAlSiN3:0.01Ce、CALSN:0.01Ce (x = 0.15)、CALSON:0.01Ce (x = 0.15, y = 0.1)的变温光谱；(b-c) 发光强度比IT/I0与温度的关系，实线为拟合Arrhenius公式；(d-e) ln(I0/IT - 1)与1/kT的关系，内插为拟合得到的热猝灭激活能Ea随x、y的变化。

图4. 大功率激光照明器件(a) 大功率蓝光激光激发下CASN-PiG与CALSON-PiG薄膜光通量对比，内插为相应的薄膜照片；(b-c, e) 蓝光激光激发下，2c-PiG（La3Si6N11:Ce + CALSON:0.02Ce）薄膜光转换器件的发射光谱，光通量、流明效率与激光功率密度的关系，以及相应色坐标；(d)大功率激光照明器件的实物照片和光学照片。

【小结】

综上，本文通过固溶体策略，设计了一种全新的三元固溶体荧光粉CALSON:Ce，在蓝光激发下能够实现高效的黄橙光发射，并且具有十分优异的热稳定性能（200℃下91%的发光保持率），能够满足大功率激光激发的要求。基于该固溶体荧光粉制备的光转换器件，与蓝光激光耦合，可获得高质量、高亮度的激光白光光源。该工作不仅提供了一种非常具有产业化潜力的激光荧光粉，而且拓宽了固溶体荧光粉的设计思路。

消息来源： 材料人

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