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, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет" , 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