近日，我校海洋科學(xué)學(xué)院吳明娒教授團(tuán)隊與臺灣大學(xué)等機構(gòu)合作，在國際知名雜志Angewandte Chemie International Edition在線發(fā)表了題為“Single-Crystal Red Phosphors and Their Core-Shell Structure for Improved Water-Resistance for Laser Diodes Applications”的研究論文。
LED發(fā)光器件的應(yīng)用已非常廣泛。例如，Mn4+激活的氟化物紅色熒光粉具有發(fā)光效率和純度高，可與藍(lán)光InGaN芯片完美匹配等優(yōu)點，是商業(yè)化高顯色白光LED器件重要基礎(chǔ)材料之一。但這些LED器件的耐水性較差，在海洋照明顯示、海產(chǎn)養(yǎng)殖捕撈、海洋航行指示和海洋勘探等高濕度環(huán)境下的應(yīng)用受到很大限制。
圖1 單晶制備及效果
（A）單晶制備示意圖；（B）、（C）和（D）為溶液隨時間的變化；底圖為生長所得到的CTFM單晶。
為解決這一問題，研究團(tuán)隊首先采用簡便的溶劑交換法在室溫下制備了Cs2TiF6:Mn4+（CTFM）單晶（圖1）。與相應(yīng)的多晶粉體材料相比，所制備的高質(zhì)量、大尺寸（11.0×3.5×1.5 mm）CTFM單晶的發(fā)光強度和量子效率均得到了大幅提升，是相應(yīng)多晶的3倍以上，而且CTFM單晶的防水穩(wěn)定性遠(yuǎn)優(yōu)于相應(yīng)的多晶材料（圖2和圖3）。
圖2 CTFM單晶與相應(yīng)多晶粉末的性能比較
（A）發(fā)射光譜，（B）內(nèi)、外量子效率，及其（C）在高溫高濕（85℃，85%濕度）條件下老化不同時間后的照片，（D）CTFM單晶、多晶粉末以及YAG:Ce單晶在高溫高濕條件下老化不同時間后相對發(fā)光強度的變化趨勢圖。
圖3 不同浸泡時間對各晶體發(fā)光性能的影響
圖（A）是不同浸泡時間后CTFM和CTFM@CTF晶體的照片；（B）到（E）分別為CTFM、CTFM@CTF1、CTFM@CTF2和CTFM@CTF3隨浸泡時間的相對發(fā)光強度變化，其中，圖C、D和E中的圖例為具有不同殼層厚度的CTFM@CTF晶體（CTF1 < ctf2 < ctf3）。
為進(jìn)一步提高耐水性能，研究團(tuán)隊利用外延法在CTFM單晶表面包覆了一層同質(zhì)的CTF殼層，成功制備了核殼結(jié)構(gòu)的CTFM@CTF晶體材料。包覆后發(fā)光性能基本保持不變，在水中浸泡420 min后，CTFM@CTF的發(fā)光強度仍為初始強度的82.6%，而未包覆的CTFM僅為8.3%。在耐水性測試中，CTFM@CTF的發(fā)光強度顯示出了一種獨特的三步式演化規(guī)律，這與Mn4+激活的氟化物多晶材料有很大區(qū)別（圖3）。
圖4 器件封裝及電致發(fā)光光譜
CTFM@CTF紅色單晶和YAG:Ce黃色單晶的器件封裝示意圖；（B）和（C）分別為封裝器件LED和LD的電致發(fā)光光譜。
最后，考慮到CTFM@CTF晶體的高發(fā)光效率、高穩(wěn)定性和高透光率等優(yōu)點，作者分別將CTFM@CTF紅色晶體和YAG:Ce黃色晶體與InGaN藍(lán)光芯片和藍(lán)色激光光源相結(jié)合，成功封裝得到了全無機、高顯色、暖白光全固態(tài)LED器件（CCT = 3155 K）和LD器件（CCT = 3195 K）。該工作為LED/LD用高耐水性氟化物紅色發(fā)光材料的制備提供了一種新策略（圖4）。
上述成果受到國家自然科學(xué)基金委-云南省人民政府聯(lián)合基金重點支持項目（No. U1702254）和國家自然科學(xué)基金委青年科學(xué)基金（No.51802359）項目等的支持。我校海洋科學(xué)學(xué)院周建邦博士后為該論文第一作者，吳明娒教授與臺灣大學(xué)劉如熹教授為共同通訊作者。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202011022
