每日动态!研制透明陶瓷用于LED和激光

凭借良好的透光性、力学性能和热导率，透明陶瓷材料已经成为一类非常重要的“结构-功能一体化”陶瓷材料，但其通常需要通过 1000℃以上的高温烧结制备而来。

(资料图)

基于无机透明陶瓷基体的荧光转换材料，在大功率 LED（发光二极管，light-emitting diode）、激光照明、激光显示及闪烁体等光电子器件领域，有着其他材料无法替代的能力。

但是，透明陶瓷过高的烧结温度一方面导致许多先进的荧光粉体无法单独烧透；另一方面，荧光粉体与透明陶瓷基体在高温下的界面反应也会使得复相陶瓷失透，这极大阻碍了全无机荧光转换材料在大功率和高密度激光器件领域的应用。

注意到上述情况之后，东华大学范宇驰教授立项了一个课题，希望可以解决上述痛点。

通过和华南理工大学夏志国教授的合作，他们在 350℃的低温下烧结制备了具有高可见光透过率的 CaF2 透明陶瓷。利用这种低温烧结技术，能够很容易实现透明陶瓷基体与 CaAlSiN3:Eu2+ 等发光性能优异、但是热稳定性不高的荧光粉体进行复合，并能避免由于界面反应导致荧光材料性能的损失。

由于 CaF2 陶瓷光学上的各向同性，基于这种透明陶瓷的荧光转换体，表现出高达 92 的显色指数和 120lmW-1 的光效，并可以发展为一种普适性的基体材料，从而用于大功率 LED、以及高密度激光照明和激光荧光显示领域。

研究中，他们通过冷烧结技术来制备氟化物透明陶瓷，该技术可被视为一个普适性的荧光块体材料制备平台，它能兼容包括稀土荧光粉和半导体量子点在内的大多数荧光粉体。

而在透明陶瓷材料基体的制备过程，他们也曾遇到一些问题。比如，最开始在选择冷烧结助剂的时候，他们通过大量的尝试，最终发现一定浓度的盐酸具有更佳的溶解沉淀作用。

此外，在与荧光粉复合做荧光陶瓷的过程中，还遇到了陶瓷块体易碎性的问题，很长一段时间内他们都无法得到完整的块体材料，自然也就不能进行后续性能的测试。

后来通过多次探讨，在压力、温度和溶剂浓度上进行反复调整，最终耗时将近两个多月，终于将制备工艺予以完善，借此得到完整的块体材料。

最终，相关论文以《高透明氟化钙纳米陶瓷的冷烧结作为高功率照明的通用平台》（Cold Sintering of Highly Transparent Calcium Fluoride Nanoceramic as a Universal Platform for High-Power Lighting）为题发在 Advanced Functional Materials 上 [1]，高杰是第一作者，夏志国和范宇驰担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Advanced Functional Materials）

范宇驰表示：“我认为是以下因素促成了本次课题的成功：首先，第一作者博士生高杰非常勤奋，他是我们课题组在冷烧结方向上招的第一个学生，动手能力和文献阅读能力都比较强，而且能在一个新方向上持续钻研；其次就是团队的积累，我们组的江莞教授在陶瓷烧结方向上已经深耕多年，在荧光陶瓷方向上取得了许多成果，这为本课题奠定了良好的基础。再次就是强强联合，华南理工大学夏志国教授是无机发光材料方面的专家，为本次课题提供了许多帮助。”

图 | 范宇驰和高杰（来源：范宇驰）

此外，范宇驰之所以在日本读博之后回国发展，也是受到了江莞教授的影响。他说：“江老师是我研究生期间的导师，也是一位日本归侨，在国家最需要人才的时候他放弃国外的优厚待遇回国发展，在粉末冶金和陶瓷制备技术方面取得了很多成绩。老师的选择也深深感染和教育了我，我深深感受到一个人把学识与国家需要和国家建设结合起来，才最能体现出自己的价值。”

另据悉，夏志国曾担任国际元素周期表年（IYPT 2019）铕（Eu）元素代言人。对此他表示：“我很荣幸能够担任国际元素周期表年（IYPT 2019）铕（Eu）元素代言人，这是因为我一直从事 Eu2+ 掺杂稀土发光材料的研究，能有这个机会是对我的莫大鼓励。我认为一方面我们需要在研究中耐得住寂寞，对于 Eu2+ 掺杂稀土发光材料这一个传统的研究领域，我坚守了许多年，做出了几种非常有特色的稀土荧光粉，包括同行熟知的 Eu2+ 掺杂窄带绿色荧光粉、 Eu2+ 掺杂氧化物基红色荧光粉和 Eu2+ 掺杂近红外荧光粉等。另一方面，如果有机会宣传自己的工作，也应该尽力去争取，我当时给中国化学会提交了铕（Eu）元素代言人的申请表，中国化学会的工作人员应该是考察了我的研究背景，最终给了我这个机会，特别感谢中国化学会。

参考资料：

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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