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撰稿 | 胡 桃
近日，华南理工大学夏志国教授、张勤远教授和安徽师范大学宁利新教授等合作报道了一种高效、高热稳定性红色发光Mg2Al4Si5O18:Eu2+荧光微晶玻璃，基于该微晶玻璃构建的红光器件最高光通量和光效分别达274 lm和54 lm W-1。该材料有望在大功率固态照明和激光照明/显示等领域获得应用。
大功率白光光源在高亮度照明、激光照明/显示等领域具有强烈的应用需求。基于发光二极管(Light-emitting diode, LED)的全固态照明技术虽然优点众多，但LED在驱动电流增大情况下，会发生“效率骤降”，阻碍了其在大功率器件中的使用。激光二极管(Laser diodes, LD)具有光功率输出大和光导向性好等优点，以LD作为激发光源易获得超高亮度、高度准直的白光光源。基于LD的照明/显示技术是固态照明显示领域未来的发展方向。
然而，由于激光的强烈热效应，传统的荧光粉封装材料如有机硅胶和环氧树脂不能耐受激光热冲击，且高光通量密度激光的激发下，发光材料容易因发光饱和而失效。有鉴于此，近年来，高效、高热稳定的全无机荧光材料如单晶、陶瓷和微晶玻璃正受到人们的广泛关注。荧光微晶玻璃具有成本低廉、制备简便、可批量生产和光学性能优异等诸多优点，是理想和可靠的LD照明显示用光转换材料。此外，基于蓝光芯片和YAG:Ce黄色发光材料制作的白光器件存在色温高和显示指数低等缺点，蓝光激发的红色发光材料的研发，成为解决这一问题的关键。然而，高性能、低成本红色发光材料的研发进展相对滞后，严重阻碍了大功率和激光照明与显示器件的发展。因此，研发新型红色荧光微晶玻璃新材料及其制备工艺，对推动大功率固态照明技术的发展具有重要的研究意义。
在此项工作中，研究团队设计制备了一种新型红色荧光微晶玻璃，该材料具有发光量子效率高、抗热猝灭性能好、物理化学稳定性优异、易制备和廉价等优点。
(a) MgO-Al2O3-SiO2三元相图以及所研究的玻璃的化学组分，其位于堇青石区域。
(b) 前驱玻璃与微晶玻璃的XRD衍射图谱。
(c) 微晶玻璃在日光灯和蓝光灯辐照下的照片，拍照时使用了滤光片过滤蓝光。
(d) 微晶玻璃的激发光谱和发射光谱，插图为研磨后的粉末在近紫外光下的发光照片。
(e) 蓝光激光功率密度依赖的微晶玻璃的发射光谱。
(f) 蓝光激光功率密度依赖的微晶玻璃的光通量和光效。
以MgO-Al2O3-SiO2三元相图为参考设计了前驱玻璃体，并采用热处理方式诱导玻璃结构弛豫和晶化，制备得到了高度结晶的Mg2Al4Si5O18:Eu2+微晶玻璃。研究表明，Eu2+离子富集于Mg2Al4Si5O18晶相六配位环境，从而赋予了Eu2+离子强晶体场环境，使得该材料表现出450 nm蓝光激发，620 nm红光发射特性。
所研制的材料发光量子效率高(内外量子效率分别为94.5%/70.6%)，抗热猝灭性能好(423 K时的发光积分强度能保持低温70 K强度的78%)，且物理化学性能稳定，非常适用于大功率LD应用。验证性试验表明，该材料能耐受大功率蓝光激光辐照，发光饱和功率密度为3.2 W mm-2，最大光通量和光效分别为274 lm和54 lm W-1，显著优于文献报道的基于CaAlSiN3:Eu2+玻璃陶瓷/陶瓷构建的红光器件的性能。
应用与展望
本研究给出了一类新型Eu2+激活红色荧光微晶玻璃及其制备技术，研制了兼具优异光学性能，成本低廉和制备简便等众多优点的Mg2Al4Si5O18:Eu2+荧光微晶玻璃。本研究有望推动大功率固态照明与显示的发展。本论文核心成果已提交中国发明专利和PCT专利申请。
本文第一作者为华南理工大学博士生胡桃，通讯作者为安徽师范大学宁利新教授、华南理工大学夏志国教授、张勤远教授。
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