北科大李建强团队CRPS封面文章：新型双相透明荧光陶瓷助力大功率激光照明 | Cell Press论文速递

物质科学

Physical science

北京科技大学李建强教授领导的团队在Cell Press细胞出版社期刊Cell Reports Physical Science上发表了题为“Biphasic Lu₃MgAl₃SiO₁₂-based Transparent Ceramics for Uniform Laser-Diode-driven White Lighting”的研究论文，该论文将于9月9日作为封面论文正式在线发表。该项研究利用多组分设计成功制备出一种激光照明用双相透明荧光陶瓷材料，稀土掺杂后在蓝光激光激发下实现了高亮度且高均匀性的白光照明。

北京科技大学李建强教授、法国国家科学研究中心Mathieu Allix教授、中科院宁波材料所秦海明副研究员为本论文的共同通讯作者，合作者还包括厦门大学解荣军教授和李淑星博士、中科院过程所杨亚锋研究员和王会副研究员。冯少尉博士研究生为论文第一作者，北京科技大学为论文第一单位。该研究得到了国家自然科学基金委和北京市科委项目的支持。

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研究介绍：

激光照明技术因具有亮度高、照射距离远、更高的转换效率和更长的使用寿命等优势，在不久的将来，激光照明将可能替代现在的LED照明，掀起新一轮照明技术革命。目前，激光光源领域主流的技术是蓝光激光激发传统的荧光材料实现波长转换而获得白光，传统的黄色、绿色和红色的荧光粉难以实现在高强度激光的持续照射下稳定发光，因此商业上采用动态旋转的色轮来解决荧光粉的热淬灭和散热问题，但这种方式会导致设备体积增大、有噪音及高成本等问题，难以满足在室内等封闭或者狭小空间的使用要求。近年来，随着荧光陶瓷的快速发展，利用荧光陶瓷优异的发光和抗热冲击性能实现静态的荧光模块逐渐成为可能，有望取代当前的动态荧光粉色轮。由于激光二极管激发荧光材料的光功率密度不断提升，激光光源对荧光陶瓷性能的要求从单一的发光效率，逐渐发展为对其微结构、光谱性能、量子效率、热稳定性以及力学性能等多种性能的综合要求。因此，相比较单晶材料和荧光玻璃等，荧光陶瓷被视为最适合用于高功率激光照明的荧光材料之一。铈掺杂的镥铝石榴石（LuAG:Ce）荧光透明陶瓷具有高的蓝光转换效率和优异的热稳定性能，在激光照明用所有荧光陶瓷候选材料中极具前景，然而其发射光谱主要位于绿光波段，并且纯相LuAG:Ce陶瓷中由于缺少散射中心会引起“黄环效应”，难以获得均匀的白光照明。因此，亟需研究新型荧光陶瓷材料来满足激光照明对高性能荧光材料的需求。

该研究通过在Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺（LuAG:Ce³⁺）透明陶瓷基质中引入不同浓度的Mg²⁺-Si⁴⁺离子，成功制备出一系列Lu₃Mg_xAl_5-2xSi_xO₁₂:Ce³⁺ (x = 0.25 − 2) 透明陶瓷（如图1A所示）。通过优化光谱选择Lu₃MgAi₃SiO₁₂作为基质，成功获得了双相Lu₃MgAl₃SiO₁₂:Ce³⁺ (BP-LMAS:Ce³⁺)透明陶瓷，发现第二相为原位生成的一种新相，利用XPRD精修分析确定该第二相为Lu₄Al₂O₉结构的衍生相，进一步通过成分分析得到其组成为(Lu/Mg)₄(Al/Si)₂O₉，属于单斜晶系，空间群为P21/c。在结构中均匀分散的第二相可作为光散射中心，有效提升蓝光的提取效率和发光均匀性，该研究通过烧结工艺的优化实现了(Lu/Mg)₄(Al/Si)₂O₉相的可控制备。同时，通过Mg²⁺-Si⁴⁺离子取代Al_(I)³⁺- Al_(II)³⁺对应四面体和八面体格位，改变了Ce³⁺周围的晶体场，从而引起5d能级的劈裂加剧，导致Ce³⁺发射光谱红移，其中当x=1时，得到的BP-LMAS:0.3%Ce³⁺发射峰位于564 nm，相比传统的Ce:Lu₃Al₅O₁₂峰位（λ_em=520 nm）红移了44 nm，在蓝光激光的激发下可实现高质量的白光照明，同时BP-LMAS:0.3%Ce³⁺透明陶瓷保持了优异发光热稳定性，为实现高功率激光白光照明提供了重要的候选材料。

图1

BP-LMAS:0.3%Ce³⁺透明陶瓷表现出优异的荧光性能，利用自行搭建的激光照明模组测试系统，对该陶瓷进行了激光激发的性能测试，在透射和反射两种模式下分别测试了不同厚度的荧光陶瓷的发光性能。透射模式下，第二相的光散射能够有效地降低激光照明的“黄环”效应，从而提高出射白光的均匀性；反射式下，该荧光陶瓷能够在14.5 W mm^-2的光功率密度下实现了5655 lm光通量出射，能够实现数公里以上的照射距离，综合性能已能够达到国际先进水平。

图2

当前，激光照明技术已发展到产业化的关键阶段，国家和地方政府已出台多项政策支持和推动激光照明产业和技术的发展，国内激光照明产业在未来几年将迎来加速发展的机遇期，对荧光材料的需求将出现激增。本研究从应用需求中提取科学问题，开发出的新型双相荧光陶瓷材料，有望在大功率激光照明和显示领域得到重要应用。

课题组简介

“无机光-热-电功能转换材料与器件”团队（李建强教授团队）隶属于北京科技大学材料科学与工程学院，一直从事高性能无机功能材料与特殊凝固制备方法的交叉领域研究，研究方向包括新型纳米荧光透明陶瓷、高性能光学玻璃、无机高熵材料和相变储热材料等，并致力于新材料实用化过程中的核心技术、关键装备和系统集成研究。

李建强教授先后主持十三五国家重点专项、中国科学院Ａ类战略性先导科技专项课题、中国空间站工程空间应用系统科学实验项目、国家自然科学基金等。共发表论文120余篇，其中近五年Nature子刊、Cell子刊等期刊共发表论文60余篇，授权专利17项，研究成果先后获中国颗粒学会技术发明奖一等奖、北京市国际合作奖等。与国内多家知名企业开展产学研合作。

课题组欢迎各类人才加入，包括教研岗、博士后、博士生和硕士生等。

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相关论文信息

论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊

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▌论文标题：

Biphasic Lu₃MgAl₃SiO₁₂-based Transparent Ceramics for Uniform Laser-Diode-driven White Lighting

▌论文网址：

https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(22)00338-1

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.101044

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