光电学院硕士研究生张导关于3D打印高功率激光照明用高效率荧光转换器件的论文发表在《Nature Communications》上

编辑: 时间:2020年06月15日 访问次数:0

近日,光电科学与工程学院硕士研究生张导在博士后肖文戈博士和邱建荣教授的指导下,在《Nature Communications》上发表论文,报道了一种3D打印和无压烧结技术用于快速制造量子效率高、颜色可调、物理化学性能优异的荧光转换体,首次实现了全无机荧光转换体的增材制造,有望应用于高功率LED和激光照明领域。

作为一种主流的固态照明技术,荧光转换型白光LED因其具有效率高、体积小和寿命长等诸多优点被广泛应用于背光显示和普通照明,正朝着高功率、高亮度和高显色性的方向发展,将应用于道路照明、汽车照明和大尺寸显示等领域。然而,由于透明有机材料的物理化学稳定性差且热导率低,传统的“荧光粉+树脂”型荧光转换体在基于高功率蓝光LED或激光二极管(LD)的高功率照明过程中会产生老化。解决该问题的有效方法是采用全无机荧光转换体。“荧光粉+玻璃/陶瓷”复合体不但兼具荧光粉的高量子效率和玻璃/陶瓷复合体的物理化学稳定性,而且相比于荧光透明陶瓷或者单晶,其在低成本、批量化生产、结构/性能可调性等方面具有明显的优势,因此,是一种非常有潜力的全无机荧光转换体。

通常,稳定性越好的无机材料其致密化所需的烧结温度越高。然而,之前的研究普遍认为,烧结温度越高,无机基体材料与荧光粉的界面反应越强烈,从而导致荧光粉的量子效率显著下降。因此,以往的方案均是采用低熔点玻璃或者陶瓷作为基体,或者使用气压烧结、热等静压烧结、放电等离体烧结等高压烧结技术,来降低界面反应程度。

张导和研究团队发现,尽管石英玻璃的熔点远高于多组分低熔点玻璃,但是石英玻璃与荧光粉(例如YAG:Ce)即使在1250 ℃烧结时反应抑制在界面附近(如图1所示),而低熔点玻璃与荧光粉在800℃下会发生明显的反应。


1. YAG:Ce颗粒与石英玻璃基体界面处的微观结构表征


他们首先制备了可光固化、高固含量的“非晶态纳米二氧化硅+荧光粉”浆料。该复合浆料经过光固化成型、排脂、还原烧结,即可得到量子效率甚至高达95%、颜色可调的荧光转换体(图2)。基于石英玻璃的荧光转换体的物理化学稳定性优异且热导率较高,不但能够在经历1200℃高温或者200℃水热处理后不发生性能改变,而且可以承受高达346 W/cm2455nm激光辐照,在大功率LED或者LD照明领域显示出了巨大的应用潜力。


2. 量子效率高、颜色可调的荧光转换体


         此外,传统的烧结技术很难实现具有复杂三维结构的荧光转换体的批量化制造,而优化的三维结构对于实现高外量子效率和高度集成器件非常重要。他们在可光固化的浆料中添加合适的光吸收剂,通过3D打印技术与无压烧结法相结合,实现了全无机荧光转换体的模块化和个性化生产。


3. 3D打印荧光转换体示意图


该项研究不但为荧光粉/石英玻璃的荧光转换体提供了一种简单而且通用的合成策略,成功实现了全无机荧光转换体的增材制造和无压烧结,对于开发其它具有高温稳定性的复合材料具有重要的指导意义。


相关研究工作以“Highly efficient phosphor-glass composites by pressureless sintering”为题于202064日发表在《Nature Communications》上。该项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目的资助。



(微纳光子学研究所 供稿)