Влияние структурных свойств люминофоров на повышение индекса цветопередачи белого светодиода

Цель исследования. Определить влияния содержания и форм компонентов люминесцентных веществ со структурой граната (LuAG, YAGG, YAG) и вюрцита (SСASN, СASN) на излучательные свойства белых светодиодов.

Методы. Проведены электронные микроскопические исследования в совокупности с энергодисперсионным и рентгенофазовым анализами порошковых образцов производства ООО «Монокристалл Пасты». Светотехнические параметры определялись с помощью конфокального рамановского и флуоресцентного спектрометра OmegaScope под действием  излучения синего лазера.

Результаты. Выстроено корреляционное влияние на флуоресцентные спектры состава порошковых материалов со структурой граната (LuAG, YAGG, YAG) и вюрцита (SСASN, СASN), проведен их анализ и описаны перспективные подходы по усовершенствованию структуры белых светодиодов и повышению индекса цветопередачи. Проведен теоретический расчет содержания красного компонента.

Заключение. Основной задачей светодиодного источника в настоящее время является преобразование синего света полупроводникового кристалла типа InGaN в белый свет в широком диапазоне частот. Белые светодиодные лампы, обладающие многообещающими характеристиками, такими как небольшой размер, безопасность, длительный срок службы и световая эффективность, в скором будущем выступят в качестве альтернативы естественному свету вследствие высокого индекса цветопередачи, характеризующего контрастность отображения предметов облучаемым светом. В результате исследований установлено прямое влияние состава и структуры фотолюминесцентных веществ на излучательные свойства светодиода. Так включением галлия в иттрий-алюминиевый гранат длина волны максимума флуоресценции уменьшается от 547 нм до 523 нм. При замещении в нитридном люминофоре стронция кальцием происходит изменение спектра в сторону красных цветов, а именно с 600 до 650 нм. При многокомпонентном люминофоре, включающем наличие нескольких люминофоров, светодиодный источник способен перекрыть весь диапазон частот видимого излучения и соответствовать естественному освещению.

1. He G., Xu J., Yan H. Spectral optimization of warm-white light-emitting diode lamp with both color rendering index (CRI) et special CRI of R9 above 90 // AIP advances. 2011. Vol. 3, No. 1. P. 032160. https://doi.org/10.1063/1.3644342.

2. Konnova S. I. Sol-Gel synthesis et investigation of Un-doped et Eu-doped strontium aluminate Sr3Al2O6 // Перспективы развития фундаментальных наук: сборник научных трудов XV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Т. 2. Томск: Изд. дом Томск. гос. ун-та, 2018. С. 147–149.

3. Влияние различных плавней на светотехнические параметры YAG: Ce / М. С. Шама, С. Н. Кичук, С. В. Костюков [и др.] // Новые огнеупоры. 2016. Т. 1(8). С. 50–53.

4. Синтез наноструктурированных порошков иттрий-алюминиевого граната, активированного ионами церия, и их применение для формирования наполненных полимерных оптических композитов / О. В. Давыдова, Н. Е. Дробышевская, Е. Н., Подденежный и др. // Хiмiя, фiзика та технологiя поверхностi. 2017. Т. 8(3). С. 289–298.

5. Xia Z., Meijerink A. Ce3+-doped garnet phosphors: composition modification, luminescence properties et applications // Chemical Society Reviews. 2017. Vol.46(1). P. 275– 299. https://doi.org/10.1039/C6CS00551A.

6. Scintillation et optical properties of YAG:Ce films grown by liquid phase epitaxy / J. A. Mares, A. Beitlerova, M. Nikl [et al.] // Radiation measurements. 2007. Vol. 42, is. 4-5. P. 533–536. https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2007.01.047.

7. High color rendering index white LED based on nano-YAG:Ce3+ phosphor hybrid with CdSe/CdS/ZnS core/shell/shell quantum dots / C. Shen, J. Chu, F. Qian, X. Zou, C. Zhong, K. Li, S. Jin // Journal of Modern Optics. 2012. Vol. 59, is. 14. P. 1199–12.3. https://doi.org/10.1080/09500340.2012.693632.

8. YAGG:Ce transparent ceramics with high luminous efficiency for solid-state lighting application / Hui Hua, Feng Shaowei, Zhongyu Ouyang [et al.] // Journal of Advanced Ceramics. 2019. Vol. 8, is. 3. P. 389–398. https://doi.org/10.1007/s40145-019-0321-9.

9. Low temperature delayed recombination decay in scintillating garnets / E. Mihóková, V. Babin, K. Bartosiewicz [et al.] // Optical Materials. 2015. Vol. 40. P. 127–131. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2014.12.01.

10. Crystal structure et optical properties of Lu3Al5O12:Ce3+ obtained by a colloidal chemical synthesis method / S. A. Samoylenko, E. V. Tretyak, G. P. Shevchenko [et al.] // Journal of Applied Spectroscopy. 2015. Vol. 81, is. 6. P. 1048–1055. Кузьменко А. П., Аникин Д. П., Родионов В. В.

11. New insights in the structure-luminescence relationship of Eu:SrAl2O4 / E. Cordoncillo, B. Julian-Lopez, M. Martínez [et al.] // Journal of Alloys et Compound. 2009. Vol. 484, is. 1-2. P. 693–697. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.05.018.

12. Assessment of strontium oxide functionalized graphene nanoflakes for enhanced photocatalytic activity: A density functional theory approach / A. Divya, T. Mathavan, R. M. Asath [et al.] // AIP Conference Proceedings. 2016. Vol. 1731, is. 1. P. 140024. https://doi.org/10.1063/1.4948190.

13. Watanabe H., Kijima N. Crystal structure et luminescence properties of SrxCa1−xAlSiN3:Eu2+ mixed nitride phosphors // Journal of Alloys et Compounds. 2009. Vol. 475, is. 1-2. P. 434–439. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.07.054.

14. Maruyama Y., Yanase Y., Watanabe T. Ammonothermal synthesis of chargecompensated SrAlSiN3:Ce3+ phosphor // Journal of the Ceramic Society of Japan. 2017. Vol. 125, is. 5. P. 399–401. https://doi.org/10.2109/jcersj2.16295.

15. Strontium oxide deposited onto a load-bearable et porous titanium matrix as dynamic et high-surface-contact-area catalysis for transesterification / H. Lee, J. D. Liao, M. H. Lee [et al.] // Nanomaterials. 2018. Vol. 8, is. 12. P. 973. https://doi.org/10.3390/nano8120973.

16. Thermal durability of YAG:Ce ceramic with containing Al2O3 et its Raman analysis / T. Kang, S Lee., J. Kim [et al.] // Journal of Luminescence. 2020. Vol. 222. P. 117077. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2020.117077.

17. Lasch P., Hermelink A., Naumann D. Correction of axial chromatic aberrations in confocal Raman microspectroscopic measurements of a single microbial spore // Analyst. 2009. Vol. 134, is. 6. P. 1162–1170. https://doi.org/10.1039/B822553B.

18. Single crystal growth et crystal structure analysis of novel orange-red emission pure nitride CaAl2Si4N8:Eu2+ phosphor / S. Hasegawa, T. Hasegawa, S. W. Kim [et al.] // ACS omega. 2019. Vol. 4, is. 6. P. 9939–9945. https://doi.org/10.1021/acsomega.9b00606.

19. Synthesis of Sr0.99Eu0.01AlSiN3 from intermetallic precursor / H. Watanabe, N. Kijima // Journal of the Ceramic Society of Japan. 2009. Vol. 117 (1361). P. 115–119.

20. Two phosphor converted white LED with improved CRI / P. J. Yadav, C. P. Joshi, S. V. Moharil // Journal of luminescence. 2013. Vol. 136, is. 1-4. P. 1-4. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2012.10.039/

21. Pure white hybrid light-emitting device with color rendering index higher than 90 / G. Cheng, M. Mazzeo, S. D'Agostino [et al.] // Optics letters. 2010. Vol. 35, is. 5. P. 616– 618. https://doi.org/10.1364/OL.35.000616.