研制透明陶瓷用于LED和激光

2023-06-24 19:31:40來源：DeepTech

憑借良好的透光性、力學(xué)性能和熱導(dǎo)率，透明陶瓷材料已經(jīng)成為一類非常重要的“結(jié)構(gòu)-功能一體化”陶瓷材料，但其通常需要通過 1000℃以上的高溫?zé)Y(jié)制備而來。

基于無機(jī)透明陶瓷基體的熒光轉(zhuǎn)換材料，在大功率 LED（發(fā)光二極管，light-emitting diode）、激光照明、激光顯示及閃爍體等光電子器件領(lǐng)域，有著其他材料無法替代的能力。

但是，透明陶瓷過高的燒結(jié)溫度一方面導(dǎo)致許多先進(jìn)的熒光粉體無法單獨(dú)燒透；另一方面，熒光粉體與透明陶瓷基體在高溫下的界面反應(yīng)也會使得復(fù)相陶瓷失透，這極大阻礙了全無機(jī)熒光轉(zhuǎn)換材料在大功率和高密度激光器件領(lǐng)域的應(yīng)用。

(資料圖片僅供參考)

注意到上述情況之后，東華大學(xué)范宇馳教授立項(xiàng)了一個課題，希望可以解決上述痛點(diǎn)。

通過和華南理工大學(xué)夏志國教授的合作，他們在 350℃的低溫下燒結(jié)制備了具有高可見光透過率的 CaF2 透明陶瓷。利用這種低溫?zé)Y(jié)技術(shù)，能夠很容易實(shí)現(xiàn)透明陶瓷基體與 CaAlSiN3:Eu2+ 等發(fā)光性能優(yōu)異、但是熱穩(wěn)定性不高的熒光粉體進(jìn)行復(fù)合，并能避免由于界面反應(yīng)導(dǎo)致熒光材料性能的損失。

由于 CaF2 陶瓷光學(xué)上的各向同性，基于這種透明陶瓷的熒光轉(zhuǎn)換體，表現(xiàn)出高達(dá) 92 的顯色指數(shù)和 120lmW-1 的光效，并可以發(fā)展為一種普適性的基體材料，從而用于大功率 LED、以及高密度激光照明和激光熒光顯示領(lǐng)域。

研究中，他們通過冷燒結(jié)技術(shù)來制備氟化物透明陶瓷，該技術(shù)可被視為一個普適性的熒光塊體材料制備平臺，它能兼容包括稀土熒光粉和半導(dǎo)體量子點(diǎn)在內(nèi)的大多數(shù)熒光粉體。

而在透明陶瓷材料基體的制備過程，他們也曾遇到一些問題。比如，最開始在選擇冷燒結(jié)助劑的時候，他們通過大量的嘗試，最終發(fā)現(xiàn)一定濃度的鹽酸具有更佳的溶解沉淀作用。

此外，在與熒光粉復(fù)合做熒光陶瓷的過程中，還遇到了陶瓷塊體易碎性的問題，很長一段時間內(nèi)他們都無法得到完整的塊體材料，自然也就不能進(jìn)行后續(xù)性能的測試。

后來通過多次探討，在壓力、溫度和溶劑濃度上進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，最終耗時將近兩個多月，終于將制備工藝予以完善，借此得到完整的塊體材料。

最終，相關(guān)論文以《高透明氟化鈣納米陶瓷的冷燒結(jié)作為高功率照明的通用平臺》（Cold Sintering of Highly Transparent Calcium Fluoride Nanoceramic as a Universal Platform for High-Power Lighting）為題發(fā)在 Advanced Functional Materials 上 [1]，高杰是第一作者，夏志國和范宇馳擔(dān)任共同通訊作者。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Advanced Functional Materials）

范宇馳表示：“我認(rèn)為是以下因素促成了本次課題的成功：首先，第一作者博士生高杰非常勤奮，他是我們課題組在冷燒結(jié)方向上招的第一個學(xué)生，動手能力和文獻(xiàn)閱讀能力都比較強(qiáng)，而且能在一個新方向上持續(xù)鉆研；其次就是團(tuán)隊(duì)的積累，我們組的江莞教授在陶瓷燒結(jié)方向上已經(jīng)深耕多年，在熒光陶瓷方向上取得了許多成果，這為本課題奠定了良好的基礎(chǔ)。再次就是強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，華南理工大學(xué)夏志國教授是無機(jī)發(fā)光材料方面的專家，為本次課題提供了許多幫助?！?

圖 | 范宇馳和高杰（來源：范宇馳）

此外，范宇馳之所以在日本讀博之后回國發(fā)展，也是受到了江莞教授的影響。他說：“江老師是我研究生期間的導(dǎo)師，也是一位日本歸僑，在國家最需要人才的時候他放棄國外的優(yōu)厚待遇回國發(fā)展，在粉末冶金和陶瓷制備技術(shù)方面取得了很多成績。老師的選擇也深深感染和教育了我，我深深感受到一個人把學(xué)識與國家需要和國家建設(shè)結(jié)合起來，才最能體現(xiàn)出自己的價(jià)值?！?

另據(jù)悉，夏志國曾擔(dān)任國際元素周期表年（IYPT 2019）銪（Eu）元素代言人。對此他表示：“我很榮幸能夠擔(dān)任國際元素周期表年（IYPT 2019）銪（Eu）元素代言人，這是因?yàn)槲乙恢睆氖?Eu2+ 摻雜稀土發(fā)光材料的研究，能有這個機(jī)會是對我的莫大鼓勵。我認(rèn)為一方面我們需要在研究中耐得住寂寞，對于 Eu2+ 摻雜稀土發(fā)光材料這一個傳統(tǒng)的研究領(lǐng)域，我堅(jiān)守了許多年，做出了幾種非常有特色的稀土熒光粉，包括同行熟知的 Eu2+ 摻雜窄帶綠色熒光粉、 Eu2+ 摻雜氧化物基紅色熒光粉和 Eu2+ 摻雜近紅外熒光粉等。另一方面，如果有機(jī)會宣傳自己的工作，也應(yīng)該盡力去爭取，我當(dāng)時給中國化學(xué)會提交了銪（Eu）元素代言人的申請表，中國化學(xué)會的工作人員應(yīng)該是考察了我的研究背景，最終給了我這個機(jī)會，特別感謝中國化學(xué)會。

參考資料：

1.Gao, J., Xia, Z., Ding, Q., Liu, Y., Yan, P., Hu, Y., ... & Jiang, W. (2023). Cold Sintering of Highly Transparent Calcium Fluoride Nanoceramic as a Universal Platform for High‐Power Lighting. Advanced Functional Materials , 2302088.

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