Композитные керамические люминофоры на основе бифазной системы Al2O3−RE3+:YAG (RE = Ce; Ce+Gd; Ce+Pr) для высокомощных светодиодных приложений

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 20-73-10242

НазваниеКомпозитные керамические люминофоры на основе бифазной системы Al2O3−RE3+:YAG (RE = Ce; Ce+Gd; Ce+Pr) для высокомощных светодиодных приложений

Руководитель Косьянов Денис Юрьевич

Организация финансирования, регион ДВФУ , Приморский край

Конкурс №50 - Конкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов

Ключевые слова Композитная керамика; Al2O3−Ce:YAG; Твердофазное вакуумное спекание; Искровое плазменное спекание; Структурно-фазовое состояние; Микроструктура; Пористость; Оптические свойства; Фотолюминесценция; Теплопроводность; Эффективность свечения; Коррелированная цветовая температура; Индекс цветопередачи; Белый светодиод.

Код ГРНТИ61.35.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Разработка технологий создания новых высокомощных (сверхъярких) твердотельных люминофоров для нужд фотоники является критическим направлением, обеспечивающим приоритетное развитие и безопасность большинства отраслей промышленности. Одновременно, с целью сохранения конкурентоспособности на рынке светодиодной техники, активно заполнившей современный индустриальный мир, перед разработчиками стоит ряд фундаментальных и прикладных задач: достижение большей световой эффективности излучения LE, индекса цветопередачи CRI, простоты перестраивания коррелированной цветовой температуры CCT в широком диапазоне значений, длительности срока службы, низкого энергопотребления и экологичности, одновременно при ее миниатюризации [1]. В настоящее время потребление белых светодиодов составляет больше половины от общего потребления светодиодов высокой яркости. Современный и эффективный способ получения белого света различных оттенков заключается в преобразовании части синего света светодиода, вызвавшего свечение слоя люминофора желтым светом. Ведущий люминофор-конвертер, используемый в коммерческих белых светодиодах, изготавливается путем нанесения слоя люминофора на основе алюмоиттриевого граната, активированного церием Ce:YAG на фиксирующую кремний-органическую смолу [2]. Данным конструкциям свойственна вариация цветовой температуры ввиду неоднородности нанесения люминофора и низкая теплопроводность, что приводит к т.н. “старению” светоизлучающего диода в процессе эксплуатации. Для решения этой проблемы предложены фосфоры на основе кристаллов Ce:YAG, инкорпорированные в матрицу из аморфного стекла. Новые материалы представляют собой полностью неорганические преобразователи света с более высокой теплопроводностью (˜1.17 W/m∙K) [1], однако ограничено применимые в сверхъярких осветительных системах ввиду насыщения люминофора при высокой мощности накачки синим светодиодом [3]. В Проекте предлагается разработка технологии и создание новых композитных керамических люминофоров на основе бифазной системы Al2O3−RE3+:YAG (RE = Ce; Ce+Gd; Ce+Pr). Имеющая теплопроводность 5-8 W/m∙K, высокие показатели температурной прочности и вязкости разрушения, керамика на основе YAG может быть использована при высокой мощности накачки, и генерировать яркий белый свет без явного теплового тушения интенсивности фотолюминесценции [4]. В качестве термически-стабильной фазы предлагается использование оксида алюминия Al2O3 ввиду его высокой теплопроводности (32-35 W/m∙K), большой ширины запрещенной зоны 7-8 эВ, и сравнительно низкой температуры спекания. Близкий коэффициент теплового расширения Al2O3 (8.4∙10^-6 K^-1) и YAG (8.6∙10^-6 K^-1) предполагает незначительный вклад теплового напряжения при совместном спекании данных соединений. Изменение частицами α-Al2O3 распространения света в люминофоре (ввиду эффекта двойного лучепреломления) позволит увеличить световую эффективность излучения LE светодиодных систем. Вариация доминирующей длины волны фотолюминесценции путем содопирования структуры граната ионами Ce3+ / Gd3+ и Ce3+ / Pr3+ обеспечит более высокие значения индекса цветопередачи CRI композитных люминофоров в широком диапазоне значений коррелированной цветовой температуры CCT – от "теплого" белого цвета лампы накаливания (3000 К) до "холодного" люминесцентного белого (7000 К) [2]. Формирование композитных керамик Al2O3−RE3+:YAG (RE = Ce; Ce+Gd; Ce+Pr) будет осуществлено параллельно методами реакционного вакуумного спекания (ВС) и реакционного искрового плазменного спекания (ИПС) с целью получения “coarse-grained” и “fine-grained” структур. Данные методы успешно апробированы при создании лазерных керамик RE3+:YAG (RE=Nd, Yb, Er) [5-6] в рамках развиваемого Руководителем синергетического подхода к синтезу полифункциональных керамик - соблюдение взаимосвязи “Мезоструктура компакта – Эволюция микроструктуры – Функциональные свойства керамики” [7-8]. Аспекты разработки технологий создания керамических люминофоров на основе бифазных систем Al2O3−RE3+:YAG (RE = Ce; Ce+Gd) представлены в литературе в ~10-ти публикациях, большинство из которых вышло в печать в 2018-2019 годах [4, 9-12]. Научным группам из Южной Кореи (Samsung Electronics Co., Ltd; LG Electronics [12]) и Китая (Shanghai Institute of Ceramics [4, 9-11]; Appotronics Cor., Ltd. [10]) удалось достичь некоторого прогресса в данном вопросе. Однако, все известные на сегодня работы в рамках метода реакционного ВС были посвящены лишь одному из ключевых вопросов − оптимизации количественного содержания термически стабильной фазы Al2O3 [4, 10-12]. Работы в рамках метода реакционного ИПС на сегодня не проводились. Также не уделено внимания возможному паразитному внедрению люминесцирующих ионов в структуру вторичной фазы Al2O3. Поэтому, разработка технологии и создание композитных керамик Al2O3−RE3+:YAG (RE = Ce; Ce+Gd; Ce+Pr) с контролируемыми параметрами микроструктуры и спектроскопическими свойствами будет требовать как глубоких фундаментальных исследований в области материаловедения твердых растворов со структурой граната, так и направленного инжиниринга композитных керамик в целом (обозначая тем самым общую цель Проекта). Итак, путем инжиниринга керамического процесса будут созданы композитные люминофоры Al2O3−RE3+:YAG (RE = Ce; Ce+Gd; Ce+Pr) с контролируемой зеренной и поровой структурой, имеющие превосходящие характеристики теплопроводности, термической стабильности интенсивности фотолюминесценции, механической прочности и световой эффективности излучения в сравнении с коммерческими образцами Ce:YAG и известными мировыми аналогами. Ожидается, что полученные композиты будут иметь средний размер зерна от 0.5 до 10 мкм, относительную плотность 99.9-99.999%, остаточную пористость 10^-1 - 10^-3 об.%, теплопроводность >8 W/m∙K), световую эффективность излучения LE более 170 lm/W, коррелированную цветовую температуру CCT от 3000 до 7000 К и индекс цветопередачи CRI более 75. По результатам выполнения Проекта будет издано не менее 8-ми публикаций в рецензируемых журналах, индексируемых в БД Scopus/Web of Science; и получен Патент на изобретение РФ. Приоритетные журналы: Journal of Alloys and Compounds (Q1, IF=4.18); Journal of European Ceramic Society (Q1, IF=4.03); Ceramics International (Q1, IF=3.45). Представлена в диссертационный совет квалификационная работа Ворновских А.А. на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 Физика конденсированного состояния. [1] Color conversion materials for high-brightness laser-driven solid-state lighting / S. Li, L. Wang, N. Hirosaki, R.-J. Xie // Laser Photonics Rev. 12 (2018) 1800173. doi:10.1002/lpor.201800173 [2] Transparent Ce:GdYAG ceramic color converters for high-brightness white LEDs and LDs / X. Liu, H. Zhou, Z. Hu, X. Chen, Y. Shi, J. Zou, J. Li // Opt. Mater. 88 (2019) 97–102. doi:10.1016/j.optmat.2018.11.031 [3] Investigation of saturation effects in ceramic phosphors for laser lighting / A. Krasnoshchoka, A. Thorseth, C. Dam-Hansen, D.D. Corel, P.M. Petersen, O.B. Jensen // Materials. 10 (2017) 1407. doi:10.3390/ma10121407 [4] Al2O3-Ce:GdYAG composite ceramic phosphors for high-power white light-emitting-diode applications / X. Liu, X. Qian, Z. Hu, X. Chen, Y. Shi, J. Zou, J. Li. // J. Eur. Ceram. Soc. 39 (2019) 2149–2154. doi:10.1016/j.jeurceramsoc.2019.01.054 [5] A new method for calculating the residual porosity of transparent materials / D.Yu. Kosyanov, R.P. Yavetskiy, S.V. Parkhomenko, A.G. Doroshenko, I.O. Vorona, A.P. Zavjalov, A.M. Zakharenko, A.A. Vornovskikh // J. Alloys and Compd. 781 (2019) 892-897. doi:10.1016/j.jallcom.2018.12.130 [6] Fabrication of highly-doped Nd3+:YAG transparent ceramics by reactive SPS / D.Yu. Kosyanov, R.P. Yavetskiy, A.V. Tolmachev, A.A. Vornovskikh, A.V. Pogodaev, E.A. Gridasova, O.O. Shichalin, T.A. Kaidalova, V.G. Kuryavyi // Ceram. Int. 44 (2018) 23145-23149. doi:10.1016/j.ceramint.2018.09.123 [7] Microstructure evolution during reactive sintering of Y3Al5O12:Nd3+ transparent ceramics: influence of green body annealing / R.P. Yavetskiy, A.G. Doroshenko, S.V. Parkhomenko, I.O. Vorona, A.V. Tolmachev, D.Yu. Kosyanov, A.A. Vornovskikh, A.M. Zakharenko, V.Yu. Mayorov, L. Gheorghe, G. Croitroru, N. Pavel, V.V. Multian, V.Ya. Gayvoronsky // Journal of European Ceramic Society. 39 (2019) 3867-3875. doi:10.1016/j.jeurceramsoc.2019.05.013 [8] Phase formation and densification peculiarities of Y3Al5O12:Nd3+ during reactive sintering / R.P. Yavetskiy, V.N. Baumer, A.G. Doroshenko, Yu.L. Kopylov, D.Yu. Kosyanov, V.B. Kravchenko, S.V. Parkhomenko, A.V. Tolmachev // J. Cryst. Growth. 401 (2014) 839-843. doi:10.1016/j.jcrysgro.2014.01.034 [9] The effect of the porosity on the Al2O3-YAG:Ce phosphor ceramic: Microstructure, luminescent efficiency, and luminous stability in laserdriven lighting / Zehua Liu, Shuxing Li, Yihua Huang, Lujie Wang, Hui Zhang, Rongrong Jiang, Fan Huang, Xiumin Yao, Xuejian Liu, Zhengren Huang // J. Alloys Compd. 785 (2019) 125-130. doi:10.1016/j.jallcom.2019.01.175 [10] Al2O3-YAG:Ce composite ceramics for high-brightness lighting / M. Xu, J. Chang, J. Wang, C. Wu, F. Hu // Opt. Express 27 (2019) 872−885. doi:10.1364/OE.27.000872 [11] Phase composition, microstructure and luminescent property evolutions in “light-scattering enhanced” Al2O3-Y3Al5O12: Ce3+ ceramic phosphors / Song Hu, Yunli Zhang, Zheng-juan Wang, Guohong Zhou, Zhenhai Xue, Hailong Zhang, Shiwei Wang // J. Eur. Ceram. Soc. 38 (2018) 3268–3278. doi:10.1016/j.jeurceramsoc.2018.03.043 [12] Design of laser-driven high-efficiency Al2O3/YAG:Ce3+ ceramic converter for automotive lighting: Fabrication, luminous emittance, and tunable color space / Young Hyun Song, Eun Kyung Ji, Byung Woo Jeong, Mong Kwon Jung, Eun Young Kim, Chul Woo Lee, Dae Ho Yoon // Dyes and Pigments 139 (2017) 688−692. doi:10.1016/j.dyepig.2016.12.071

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Косьянов Д.Ю., Liu X., Ворновских А.А., Косьянова А.А., Захаренко А.М., Завьялов А.П., Шичалин О.О., Майоров В.Ю., Курявый В.Г., Qian X., Zou J., Li J. Al2O3−Ce:YAG and Al2O3−Ce:(Y,Gd)AG composite ceramics for high brightness lighting: Effect of microstructure Materials Characterization, V. 172, P. 110883-1−110883-9 (год публикации - 2021)
10.1016/j.matchar.2021.110883

2. Косьянов Д.Ю., Завьялов А.П., Ворновских А.А., Захаренко А.М., Liu X., Li J. Some approaches for residual porosity estimating IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, V. 1093, P. 012015-1−012015-4 (год публикации - 2021)
10.1088/1757-899X/1093/1/012015

3. Косьянов Д.Ю., Завьялов А.П., Ворновских А.А., Li J. Некоторые подходы по оценке остаточной пористости Перспективные материалы конструкционного и функционального назначения: сборник научных трудов Международной научно-технической молодежной конференции, С.135-136 (год публикации - 2020)

4. Косьянов Д.Ю., Liu X., Ворновских А.А., Леонов А.А., Li W., Li J. Effect of cerium doping on optical and luminescent properties of Al2O3−Ce:YAG composite ceramics Proceedings of SPIE - The International Society For Optical Engineering, V. 11706, P. 1170618-1−1170618-6 (год публикации - 2021)
10.1117/12.2582998

5. Косьянов Д.Ю., Liu Xin, Ворновских А.А., Завьялов А.П., Захаренко А.М., Косьянова А.А., Федорец А.Н., Шичалин О.О., Леонов А.А., Li Wanyuan, Li Jiang Al2O3–Ce:YAG composite ceramics for high brightness lighting: Cerium doping effect Journal of Alloys and Compounds, – V. 887. – P. 161486-1 - 161486-9 (год публикации - 2021)
10.1016/j.jallcom.2021.161486

6. Косьянов Д.Ю., Завьялов А.П., Ворновских А.А., Захаренко А.М., Liu Xin, Li Jiang Determination of the bulk fraction of spherical non-uniformities in high-density materials Ceramics International, – V. 47. – Is. 20. – P. 28932-28941 (год публикации - 2021)
10.1016/j.ceramint.2021.06.266

7. Косьянов Д.Ю., Явецкий Р.П., Крыжановская О.С., Ворновских А.А., Шичалин О.О., Папынов Е.К., Герасименко А.В., Леонов А.А., Завьялов А.П. Reactive SPS of Nd3+:YAG transparent ceramics with LiF sintering additive Optical Materials, − V. 119. − P. 111389-1 - 111389-5 (год публикации - 2021)
10.1016/j.optmat.2021.111389

8. Ворновских А.А., Косьянов Д.Ю., Завьялов А.П., Леонов А.А., Li W., Liu X., Li J. Design of high-performance Al2O3−Ce:YAG ceramic converters for white LEDs by optimization of cerium doping The American Ceramic Society (www.ceramics.org), PACRIM-428-2021, стр. 112 (год публикации - 2021)

9. Zhang Q., Shi Y., Косьянов Д., Xiong Y., Wu T., Zhou Z., Liu Q., Fang J., Ni J., He H., Yu J., Niu M., Liu W. Effect of extra added Mg2+ and Si4+ on the microstructure and luminescence properties of Ce:YAG ceramic phosphors for high power LED/LD lighting Ceramics International, V. 49, Is. 7, P. 11311-11322 (год публикации - 2023)
10.1016/j.ceramint.2022.11.331

10. Завьялов А.П., Косьянов Д.Ю. Reactive SPS of Al2O3−Ce:(Y,Gd)AG composite ceramics: approach optimization by SR XRD investigations Book of abstracts of International Conference "Synchrotron and Free Electron Laser Radiation: Generation and Application", с. 27-29 (год публикации - 2022)

11. Косьянов Д.Ю., Ворновских А.А., Шичалин О.О., Завьялов А.П. Композитные керамические люминофоры для сверхъярких светодиодов Перспективные материалы конструкционного и функционального назначения: сборник научных трудов Международной научно-технической молодежной конференции, с. 194-196 (год публикации - 2022)

12. Косьянов Д.Ю., Ворновских А.А., Шичалин О.О., Папынов Е.К., Белов А.А., Косьянова А.А., Федорец А.Н., Леонов А.А., Завьялов А.П., Тихонов С.А., Wang Y., Cheng Z., Liu X., Li J. Reactive SPS of Al2O3−RE:YAG (RE=Ce; Ce+Gd) composite ceramic phosphors Journal of Advanced Ceramics, V. 12, Is. 5, Р. 1015–1032 (год публикации - 2023)
10.26599/JAC.2023.9220735

13. Завьялов А.П., Косьянов Д.Ю. Приложение методик рентгеновской дифракции синхротронного излучения при оптимизации траектории спекания композитных керамик Al2O3−Ce:(Y,Gd)AG Поверхность. Рентгеновские синхротронные и нейтронные исследования (год публикации - 2023)

14. Wang Y., Huang X., Cheng Z., Hu D., Zhu D., Chen P., Tian F., Yuan Q., Косьянов Д.Ю., Li J. Al2O3–Ce:YAG composite phosphor ceramics for white laser lighting: Novel preparation and regulatable properties Journal of the American Ceramic Society (год публикации - 2023)
10.1111/jace.19238

15. Любас Г.А., Завьялов А.П., Шичалин О.О., Ворновских А.А., Косьянов Д.Ю. Radioluminescent of corundum/garnet structures Book of abstracts of International Conference "Synchrotron and Free Electron Laser Radiation: Generation and Application", с. 16-17 (год публикации - 2022)

16. Косьянов Д.Ю., Ворновских А.А., Шичалин О.О., Папынов Е.К., Леонов А.А., Завьялов А.П., Liu Xin, Li Jiang Реакционное ИПС композитных керамических люминофоров Al2O3−RE3+:YAG (RE=Ce; Ce+Gd) Енисейская Фотоника – 2022. Всероссийская научная конференция с международным участием. Тезисы докладов., с. 66-67 (год публикации - 2022)

Публикации