陶瓷基熒光轉換材料因其優異的熱穩定性（高熱導率）和卓越的光學性能（高的量子效率和光提取效率），能有效解決目前通用的樹脂封裝LED的老化、色漂移、藍光溢出等問題，目前已經成為應用潛力巨大的大功率LED及激光照明用的光轉換材料之一。然而目前在商業生產中，極高的燒結制備溫度不僅限制了透明陶瓷封裝熒光粉的種類，帶來極大等能源消耗，而且高溫熱處理會損害熒光粉本身的發光效率，導致其組裝得到的LED器件發光效率低，相關色溫不高等不足。然而目前的研究主要集中在YAG：Ce3+ 黃色熒光粉為代表的熒光陶瓷中，由于該體系缺少紅光成分，導致器件的顯色指數偏低（一般小于65）。為了實現高光品質的LED照明（高光效，高顯指），引入熱穩定性較差的紅色商用熒光粉CASN：Eu2+以增加紅光成分成為了一種有效的解決方案，因此采用低溫燒結技術制備透明陶瓷基體，致力于降低能耗并且同時用于封裝多種類型的熒光材料已經成為商用熒光陶瓷的共同追求。
近日，東華大學江莞教授團隊范宇馳研究員聯合華南理工大學夏志國教授在Advanced Functional Materials上發表了題為 “Cold Sintering of Highly Transparent Calcium Fluoride Nanoceramic as a Universal Platform for High-Power Lighting” 的研究文章。采用冷燒結技術在350℃的條件下成功的制備了用于高功率照明的氟化鈣基熒光陶瓷。實驗和理論結合表明采用具有外層富氧結構的氟化鈣納米粉體，在鹽酸介質的作用下更有利于溶解沉淀過程的實現，更加有效的促進陶瓷粉體低溫致密化過程。與YAG：Ce3+和CASN：Eu2+商業熒光粉復合后得到的熒光陶瓷的發光效率最高可以達到190 lm/W,顯色指數最高達到92，且色溫低于3000 K，燒結后的熒光粉仍然可保留接近90 %的量子效率。
圖1氟化鈣納米粉體及氟化鈣透明陶瓷的表征。(a) 摻雜鐿的氟化鈣的納米粉體的微觀形貌；(b) 摻雜鐿氟化鈣和未摻雜鐿的氟化鈣的粉體尺寸對比；(c) 摻鐿氟化鈣的納米粉體的元素分布；(d) CaF2-HCl透明陶瓷的微觀結構；(e) CaF2-HCl透明陶瓷的透過率；(f) CaF2-HCl透明陶瓷在自然光下的數碼照片。
圖2 氟化鈣陶瓷的冷燒結致密化過程研究。(a) 鹽酸作用下的氟化鈣納米粉體的溶解沉淀及致密化過程示意圖；(b) 氟化鈣陶瓷燒結過程中的電化學阻抗譜圖；(c) 氟化鈣納米粉體燒結過程中的活化能；(d-g) 氟化鈣陶瓷燒結過程的XPS研究。
圖3 氟化鈣熒光陶瓷的微觀結構分析。(a) 氟化鈣基熒光陶瓷的XRD研究；(b) 不同的氟化鈣基熒光陶瓷的數碼照片；(c) 封裝后熒光粉的量子效率；(d-g) 熒光粉在陶瓷基體中的分布；(h) 紅色熒光粉和氟化鈣基體之間的界面。
圖4 氟化鈣基熒光陶瓷的光學性能及熱穩定性。(a) 氟化鈣熒光陶瓷中的光線傳播路徑示意圖；(b) 不同氟化鈣熒光陶瓷的色坐標圖；(c) 不同氟化鈣熒光陶瓷的PL光譜圖；(d) 氟化鈣熒光陶瓷和樹脂基封裝熒光粉塊體的熱傳導對比；(e) 氟化鈣熒光陶瓷的綜合性能對比圖；(f) 氟化鈣熒光陶瓷的變溫熒光。
綜上，研究人員開發了一種簡單，低能耗的氟化鈣基熒光陶瓷的制備工藝，用于實現商業的大功率LED照明應用。實驗和理論研究表明，采用外層富氧結構的氟化鈣納米粉體，在鹽酸的作用下通過冷燒結技術的應用可以實現在350 ℃的條件下實現透明陶瓷的制備，其在可見光的范圍內最高的透過率可達75 %。基于低溫燒結的顯著優勢，成功的制備了不同種類的氟化鈣基熒光陶瓷。基于立方晶系的光學各向同性，封裝YAG：Ce3+的熒光陶瓷光效最高可達190 lm/W。并且順利引入了CASN:Eu2+商業熒光粉，燒結后可保留原始粉末90 %的量子效率，實現了熒光陶瓷的顯色指數的可調性，最高可達92。該項成果為高功率LED照明器件的設計提供了一種新的思路和途徑。
相關研究成果已經發表于國際知名學術期刊“Advanced Functional Materials”。東華大學材料學院博士研究生高杰為第一作者，東華大學江莞團隊范宇馳研究員和華南理工大學夏志國教授為通訊作者。
參考文獻：
Cold Sintering of Highly Transparent Calcium Fluoride Nanoceramic as a Universal Platform for High-Power Lighting
Jie Gao, Zhiguo Xia*, Qi Ding, Yongping Liu, Peng Yan, Yunfeng Hu, Lianjun Wang, Wei Luo, Yuchi Fan*, Wan Jiang
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202302088
