新一代单组份白光荧光粉-二维波纹状钙钛矿微晶用于制备白光发光二极管

固体发光二极管(LED)技术在过去的十来年取得了突飞猛进的发展,基于LED的显示及照明市场高达几千亿美元。相比传统白炽灯和荧光灯,基于LED的固体照明设备具有更高功率效率已经逐步取代传统光源改变我们的日常生活。为了使一个典型的固体照明设备产生理想的白光,人们通常利用两种途径:一种是将单色光荧光粉(例如YAG:Ce黄色荧光粉)涂覆在蓝光发光二极管芯片上产生白光;另一种是将蓝、绿、红三种荧光粉按照一定比例混合之后,涂覆在紫外光发光二极管上产生白光。然而,这两种方法都有一定的局限性和诸多不足。例如,由于发射光谱的不连续性,单一颜色(黄光或红光)荧光粉涂覆的白光发光二极管显色性通常较差。另一方面,混合荧光粉照明设备的效率会由于自吸收效应而降低,同时不同荧光粉使用寿命不一致也会导致其发光颜色随着时间而变化。为了解决这些问题,一个理想的方案是研制出利用紫外光激发的单一组分宽光谱白光荧光粉。目前这种材料还比较少见,而且大部分都是基于掺杂稀土元素发光物的无机材料。这些无机白光荧光粉的发光效率一般都比较低,而且通常其生产工艺复杂,制造成本也较高。到目前为止,市场上还没有成熟的用于固体照明设备的单一组分白光荧光粉。基于这些原因,开发新型的白光荧光粉不但具有重要的科学意义,同时也具有广阔的应用前景。

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近年来,有机无机杂化钙钛矿材料作为一颗冉冉升起的新星,凭借其优秀的光电性质,受到了光电材料界广泛的关注。通过调节其晶体结构中的卤素阴离子以及不同的层间结构,人们可以有效控制这种杂化钙钛矿材料的发射波长,得到各类窄光谱及宽光谱发光材料。同时研究人员也发现,将钙钛矿的晶体尺寸缩减至微米或纳米级时,可以有效地减少自吸收效应和表面晶格缺陷以提高发光量子产率。利用以上材料设计理念,佛罗里达州立大学的Biwu Ma教授研究团队开发了一类新型基于二维波纹状有机无机杂化钙钛矿微晶的单组份白光荧光粉用于固体照明。他们利用一步法溶液反应,在温和反应条件下,制备出具有微米级尺寸的有机无机杂化钙钛矿纳米薄片,其发射光谱可以覆盖整个可见光区。与之前报道的单晶样品相比,此类微晶体样品的合成更加简单快捷,发光量子效率得到成倍提,拥有更优秀的薄膜加工性能。该微晶体在溶液中和薄膜中均显示出了更好的光稳定性和热稳定性。Biwu Ma教授研究团队利用此微晶荧光粉,设计制造出了紫外光(365 nm)激发的白光发光二极管,其色坐标(CIE)为(0.30,0.42),色温(CCT)为6519 K,其发光属于“冷白光”,可用于室外照明等应用。

考虑到其低廉的原材料成本,简便的制备方法和优良的溶液加工性能,此类新型二维波纹状有机无机杂化钙钛矿微晶有望取代基于稀土元素的传统无机荧光粉以及量子点荧光粉,在大面积涂覆的固体发光设备中有着极大的应用前景。

相关工作在线发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201600667)上,第一作者为佛罗里达州立大学博士后研究员袁钊。

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