近日，华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室夏志国教授及其团队在新型稀土发光材料及激光照明应用领域取得了重要进展。该团队延续了其在Eu²⁺激活无机发光新材料结构设计新思路，发现了一类适用于激光照明应用的Eu²⁺掺杂双钙钛矿红色荧光粉A₂BB'O₆(或A₂BB'O_5.5)及其荧光陶瓷。这一创新性研究成果在《Advanced Materials》期刊上发表（Advanced Materials, 2023, 35, 2301837.），题目为“Thermally stable red-emitting oxide ceramics for laser lighting”。

团队成果在Advanced Materials期刊上发表 

半导体固态照明技术在发光效率、亮度、器件结构、成本和应用等方面不断取得进步。然而，尽管荧光转换白光发光二极管（pc-wLED）已经在发展过程中取得显著成功，但pc-wLED面临着“效率骤降”、低阈值和光束发散严重等问题，在需要高光通量光源的场景下难以实际应用。这些挑战促使了激光二极管（LD）驱动照明技术的兴起。通常情况下，增加入射激光功率会导致材料光饱和，进而降低光效。因此，开发具有高量子效率（QE）和优异热稳定性的蓝光LD驱动材料仍然是一项紧迫的任务。在白光LD（w-LD）照明光源方面，黄光Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ (YAG:Ce³⁺)和绿光Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ (LuAG:Ce³⁺)陶瓷已经受到广泛研究。然而，这种白光源由于缺乏红光成分，通常表现出高的相关色温(CCT = 6000 K)和低的显色指数(CRI < 65)。虽然氮化物红粉在pc-wLED器件中取得了成功，但是氮化物陶瓷烧制困难，限制了其在w-LD中的应用。因此，探索高效红色氧化物基陶瓷成为推动w-LD器件的可选方案之一。

作者研究发现：一类新型的双钙钛矿Sr₃TaO_5.5(STO)和Sr₃NbO_5.5(SNO)中阳离子有序性使掺杂引入的Eu²⁺具有较高的EQE和优异的热稳定性，而Sr₂LaTaO₆(SLTO)中的Sr和La随机占据A₂BB'O₆框架的A和B位，导致Eu²⁺表现出中等的热稳定性和较低的EQE。

图1. 红光陶瓷的结构与发光性能研究

为探讨A₂BB'O₆的局域结构对发光性质的影响，作者结合实验和理论研究了A₂BB'O₆的局域结构与性能的构效关系。首先，通过高分辨率透射电镜(HRTEM)图像证实了Sr₃TaO_5.5:Eu²⁺(STOE）具有高度有序的结构，而Sr₂LaTaO₆:Eu²⁺(SLTOE)具有无序结构，无序的La和Sr原子在A₂BB'O₆框架中促进了结构的伪对称性。拉曼光谱进一步表明SLTOE结构具有较高的伪对称性。通过测试低温拟合出的德拜温度(Θ_D)和黄坤因子(S) 结果还证实了SNOE 和STOE具有高度有序和对称的结构，而SLTOE则表现为结构无序。研究发现：Eu²⁺在有序的A₂BB'O₆结构具有高的EQE和热稳定性，而在无序的A₂BB'O₆结构中表现出中等的热稳定性和较低的EQE。上述结论揭示了局域结构对Eu²⁺发光性能的影响，为光学性质差异的深入理解提供了合理的解释。

图2. Eu²⁺掺杂A₂BB'O₆双钙钛矿的局域结构特性研究

作者进一步通过制作w-LD器件对红光陶瓷的激光照明应用性能进行了评估，表明其在未来高功率白色激光照明中是非常有前途的候选材料。该研究对Eu²⁺掺杂氧化物红光发光材料及其荧光陶瓷的探索具有指导意义，有助于推动蓝光激光驱动白光照明技术的发展。

图3. w-LD器件制作与应用

本研究的第一作者为华南理工大学博士生杨至雨，通讯作者为夏志国教授。该研究过程中，张勤远教授为该工作提供了悉心的指导和大力支持，同时也得到了加拿大萨斯喀彻温大学Alexander Moewes教授及其团队在同步辐射光源测试方面的协助。该研究得到了国家自然科学基金资助(项目批准号: 51972118)，广州市科技计划项目(202007020005)及广东省珠江人才计划地方创新团队项目(2017BT01X137)的资助。

原文链接:https://doi.org/10.1002/adma.202301837