白光LED用高光效Re3+:(Y/Gd)3(Al/Ga)5O12荧光晶体的制备及发光性能研究

本项目以白光LED用新型单晶荧光材料的生长、微观结构基元、发光性能及机理为主要研究内容，创新性地提出用Re3+:(Y/Gd)3(Al/Ga)5O12石榴石单晶来替代白光LED中传统使用的荧光粉，重点解决这类单晶材料显色性指数低，色温高这一关键问题。通过基质组份和发光中心晶体场配位环境设计、气氛保护和热处理工艺等条件控制掺杂稀土离子的价态，研究不同生长工艺条件及稀土离子掺杂种类与浓度、单掺及共掺组合方式等因素对石榴石系单晶发光效率、显色指数、色温等光学性能的影响。系统分析稀土离子在不同配位晶体场中的发光机理及在不同共掺组合方式下的交叉弛豫和发光效率，优化稀土离子共掺的组合方式、调配基质的组分及比例，实现石榴石系单晶荧光材料的发光波段调谐，将该单晶材料与芯片直接扣装，实现白光色度的调控，达到白光LED的使用要求，获得高发光效率、高显色指数、低色温的单晶荧光材料。

荧光材料是制备白光LED中一个非常关键的材料，它的性能直接影响到白光LED的亮度、色坐标、色温、显色指数。目前广泛采用蓝光激发黄色荧光粉实现白光发射，而采用粉体荧光材料主要存在均匀性难以控制，使得色温不一致；光衰大，致使白光LED的寿命短等问题，制约了白光LED的发展。因此本项目提出研究具有光学均匀性好、高稳定性的Ce:YAG石榴石系列单晶荧光材料来实现白光发射。经过研究，我们采用提拉法成功生长了直径为1英寸稀土掺杂石榴石系单晶：Ce:YAG、Sm,Ce:YAG、Ce,Tb:YAG、Ce,Gd:YAG、Ce,Mn:YAG、Ce,Mn,Tb:YAG等六种单晶荧光材料，给出了晶体生长工艺及组分设计，通过基质组分设计和发光中心晶体场配位环境设计、气氛保护，控制掺杂离子的价态；研究不同生长工艺条件及稀土离子掺杂种类与浓度、单掺与共掺组合方式等因素对石榴石系单晶发光效率、显色指数、色温等光学性能的影响，优化稀土离子共掺的组合方式，并通过不同的退火工艺，改善晶体的光学性能；研究了Ce:YAG、Sm,Ce:YAG、Ce,Tb:YAG,、Ce,Gd:YAG、Ce,Mn:YAG、Ce,Mn,Tb:YAG单晶材料的吸收和激发发射光谱，结合离子能级图，研究了能量转移、能量传递对增加荧光材料发光成分、调谐稀土离子的发光波段和强度的影响，进一步揭示了发光机理；采用XPS、EPR、XAFS等测试手段，进一步分析掺入YAG晶胞中的稀土离子/过渡离子的价态，探讨不同晶体生长工艺条件、不同基质组分和不同晶体配位环境对稀土/过渡离子价态的影响，并研究不同掺杂离子价态对YAG系列晶体光学性能的影响；研究了蓝光激发Ce:YAG石榴石系列单晶的发光性能和封装成白光LED光源的发光性能，发光效率可达120lm/w，显色指数达到70以上，色温4000K；为该类材料推向产业化奠定了基础。培养研究生5名，发表论文10篇，申请发明专利4项，授权2项。