激光显示用高效红色发光材料的设计与开发

光源的发展贯穿了人类文明的进步，而当下显示技术是光源技术研究的重点。近日，兰州大学的王育华教授（点击查看介绍）团队基于结构刚性通过化学单元取代，设计并制备了一种高效的激光显示用发光材料，同时该材料在光学压力传感也有很好的应用。

随着技术的进步，固态光源解决方案逐渐成为主流。其中，荧光转换发光二极管（pc-LED）在照明和背光显示技术领域不断取得进步，特别是与传统的白炽灯或荧光灯光源相比，具有可靠性高、光效高、能效高、使用寿命长、环保等诸多优良特性。近年来，新兴的激光二极管（LD）比pc-LED更具优势，具有更巨大的发展潜力和研究价值。传统的 LED 只有在低电流密度注入时才能保持较高的发光效率，只能通过增加 LED 的数量来提升整体亮度，这种策略伴随着热量堆积、结构复杂、成本高昂等弊端。相反，LDs 光源技术在大功率光源下仍能保持高光效，且兼具亮度更高、体积更小、寿命更长等显著优势。目前，“LD 芯片+ 荧光粉 ”是激光光源技术中最有研究价值和最有效的方法，在大功率、高亮度 LDs 照明和显示领域得到了很好的应用。LDs 技术仍主要沿用传统的 LED 技术荧光粉，但考虑到荧光粉在高功率密度光源下的发光饱和度，LDs 用荧光粉与 LED 用荧光粉的要求仍有显著差异。用于 LDs 照明的荧光粉以掺杂 Ce³⁺ 体系为主，对其研究较多，并已达到高性能，可满足各种 LDs 照明。相比之下，开发能实现高效 LD 显示高色域的红色发光材料是一个空白，也是亟待解决的问题，具有挑战性。

图1. 设计开发的高效红色发光材料的晶体结构以及在激光显示和压力传感应用的性能。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

为了获得更新型、更高效的红色发光材料，作者设计并通过高温固态反应成功合成了一系列Sr₂[Mg_1-xLi_xAl_5-xSi_xN₇]:0.01Eu²⁺ (SMAN-xLS, 0≤x≤0.5) 红色荧光粉，并详细研究了[Li-Si]⁵⁺共取代[Mg-Al]⁵⁺对结构和发光性能的影响。随着[Li-Si]⁵⁺进入晶格，Al³⁺被Si⁴⁺取代，导致Eu²⁺的5d能级的电子云膨胀效应减弱，使发射峰从657 nm移至647 nm，并减少了绿色区域的激发，即降低了对绿光的吸收。当[Li-Si]⁵⁺共取代量为 x=0.1 时，样品的发光强度和热稳定性都得到了提高，其中外部量子效率（EQE）提高了 49.6%。晶格刚度的增加带来了更高的发光强度，而为补偿发光而引入的陷阱水平则增强了热稳定性。在高功率蓝色激光激发下，SMAN-0.1LS 可以达到 52.22W/mm² 的超高发光饱和阈值，明显优于现有的其他红色荧光粉，这一突破性性能在大功率激光显示光源中的应用潜力巨大。阴极荧光（CL）表征和测量证明了 SMAN-0.1LS 具有良好的 CL 特性。通过测量 SMAN-0.1LS 的压力发光，随着压力的增加，发射峰可从 650 nm 移动到 702 nm，灵敏度 dλ/dP 为 5.07 nm/GPa，这表明该系统具有作为光学压力传感器应用的潜力。

这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上，文章的第一作者是兰州大学博士研究生李泽彬。

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Enhanced Quantum Efficiency via Co-substitution in Sr₂[MgAl₅N₇]:Eu²⁺ for Spectroscopic Applications including Laser Displays with Ultra-high Luminescence Saturation Threshold

Zebin Li, Haoyang Wang, Zhezhe Su, Runtian Kang, Takatoshi Seto, Yuhua Wang*

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202419910

导师介绍

王育华

https://www.x-mol.com/university/faculty/77259