新一代照明光源——白光发光二极管（LED）已经走进了千家万户，但当前市场化的白光LED是蓝光芯片与黄色YAG:Ce3 荧光粉组合而成，该组合存在显色指数不高、使用后期可能偏离白光等问题。开发高效、高热稳定的单一基质白光荧光粉是解决该问题的一种有效办法。 项目申请时拟以Ca3Al2O6:Ce3 作为载体，研究提高量子效率和实现单一基质暖白光的方法并总结规律，最后制作白光pc-LED器件。研究进行中发现基质中引入较大半径的Sr2 能够提高量子效率，并在Li4SrCa(SiO4)2:Ce3 系列中得到验证。 主要研究内容及重要结果如下： 1) 在Ca3Al2O6: Ce3 /Tb3 /Mn2 荧光粉中发现，共掺Tb3 和Mn2 会因Ce3 不同的发光而出现不一样的能量传递方式和效率。蓝光Ca3Al2O6: Ce3 可将Ce3 的激发态能量有效传递给Tb3 ，但是到Mn2 的能量传递效率非常低。而青光Ca3Al2O6: Ce3 则可同时将Ce3 的激发态能量传递给Tb3 和Mn2 ，并通过调控掺杂浓度实现了白光发射——但此时激发主峰在305 nm，尚无合适的芯片与其匹配。 2) Ca2.5Sr0.5Al2O6:Ce3 荧光粉的发光强于Ca3Al2O6: Ce3 ，且通过Ce3 调整浓度可在365 nm附近的近紫外光下发射420 nm或470 nm的光。分别引入Mn2 后实现发光的调控和暖白光发射，显色指数可达90以上。 3) 在Li4SrCa(SiO4)2:Ce3 中，288 nm激发下的近紫外主导的发光绝对量子效率高达97%，但360 nm激发下的蓝光发射量子效率只有82%。通过基质筛选（调整）——Li4Sr1 xCa0.97-x(SiO4)2，增加Sr减少Ca的方式可增强Ce3 的蓝光发射。当x = 0.4时，蓝光最强，对应365 nm激发下的绝对量子效率提高到了94%，热稳定性也非常好——200摄氏度时发光强度仍维持室温强度的95%。最后用最佳荧光粉制作了pc-LED器件，所得暖白光pc-LED的显色指数高达94，表明该荧光粉具有很好的潜在应用前景。

以Ca3Al2O6为基质，采用高温固相法合成单掺Ce3 和Ce3 -Tb3 -Mn2 共掺等荧光粉。基于Ca在基质晶格中存在6个不同的格位，本项目立意通过改变合成条件使Ce3 选择性地进入不同的Ca格位，实现Ce3 激发光谱和发射光谱的调控；来认识单掺Ce3 荧光粉的发光性质与格位取代之间的关系。以添加电荷补偿剂、助熔剂和表面处理等方式来有效地提高荧光粉的量子效率。在优化了的工艺基础上，通过共掺杂，根据Ce3 的荧光强度、寿命随Tb3 或Mn2 浓度的变化，研究能量传递机理以及不同格位上Ce3 对传递效率的影响，获得不同格位取代时能量传递形式及效率。项目有望确立一种有效的“格位选择性取代调控荧光粉光谱性质”方法，获得发光性质与晶体结构、电子结构之间的关联规律，为开发高性能单基质白光荧光粉提供一种合理思路。本项目属于发光材料的理论基础研究和相应的制备科学，对研发新型稀土功能材料具有重要意义。

当前半导体照明蓬勃发展，其主流技术路线是：氮化物蓝光LED激发掺铈钇铝石榴石荧光粉产生黄光，合成出白光。但荧光粉存在两大问题：一是大功率场合与硅胶混合的荧光粉散射严重光衰突出；二是光谱中缺少红光成分，光线炫目，光谱稳定性不够理想。针对这些问题，本项目提出一种两层复合结构荧光材料，用透明荧光陶瓷代替荧光粉解决前一个问题，其机理是透明陶瓷荧光材料折射率均一导热性好没有高分子材料包裹其中所以抗光衰抗辐照散射小发光性能稳定；利用铈铬共掺钇铝石榴石透明陶瓷或透明薄膜解决后一个问题，其机理是铈离子吸收蓝光，将能量传给三价铬离子，实现三价铬离子红光发射。其突出优点是：蓝光宽带吸收，红光宽带发射，且合成光谱中蓝黄红成分强度可靠层厚独立调节，调控自由度大，这是靠单一材料掺杂不能实现的，同时避免了在单一材料中掺杂所引起的淬灭温度降低、能量转移导致发光强度降低等诸多问题，可获得高品质白光，具有重要意义。

半导体白光照明由于其高转换效率等优点而受到广泛关注。目前使用广泛、技术成熟的商用白光LED的基本结构是用Ce:YAG荧光粉和环氧树脂或硅胶混合在一起形成的荧光粉胶封装蓝光GaInN/GaN LED芯片。然而，随着芯片功率的增大，由于有机树脂基体热性能差，老化问题日益严重。这导致在白光LED的实际应用中，出现发光效率减退，长期稳定性下降，发光颜色变化，使用寿命降低等问题。为了解决这些问题，透明荧光陶瓷被认为深具潜力。 在本项目研究中，我们利用固相反应和真空烧结方法，制备了一系列高光学质量的透明荧光陶瓷样品，如Ce:YAG, Cr/Ce:YAG, Al2O3-Ce:YAG 和 MgAl2O4-Ce:YAG。掺Cr能提高透明陶瓷荧光材料的显色性能，这是因为，随着Cr掺杂浓度的增加，在蓝光的激发下，由于Cr3 离子的2Eg-4A2g的跃迁，导致R9值的增大。但是Ce3 和 Cr3 离子之间的能量转移引起的能量损失致使WLED的发光效率下降。设计的Al2O3-Ce:YAG复合相结构是颗粒尺寸2-3μm的Al2O3均匀地分布在颗粒尺寸5-15μm的Ce:YAG基质中。对所制备的复合相Al2O3-Ce:YAG，摩尔比为Al2O3/YAG =0.65陶瓷样品具有较高的流明效率，达到~95lm/W,在同样测试条件下比单相的Ce:YAG透明陶瓷高。分散在Ce:YAG基质中作为第二相的Al2O3颗粒能够改变陶瓷中光的传播方向，减少由于内部全反射对光出射的约束，提高光的提取效率。要进一步改善流明效率，需要优化YAG基质和第二相的颗粒尺寸。然而，在Al2O3-Ce:YAG体系中，通过改变两相的含量比和烧结温度难以有效地优化颗粒尺寸。我们发现在MgAl2O4-Ce:YAG体系中，MgAl2O4的加入具有对晶粒尺寸和微结构实现调控的效果，复合相MgAl2O4-Ce:YAG陶瓷荧光体，体积比MgAl2O4∕YAG=0.07, YAG相平均晶粒度4.4μm，MgAl2O4相平均晶粒度1.8 μm，获得了较高的流明效率(99 lm/W)。同时也证实了复合相陶瓷荧光体的微结构优化是改善光提取效率的有效方法。

氧氮化物荧光粉具有优良的物理和化学稳定性，是白光LED照明中理想的光转换材料。Al2O3-AlN二元体系中含有大量的AlON多形体,而基于这些多形体的荧光材料还未被报道,因此,可望从中发现新型高效、稳定的氧氮化物荧光粉。本项目针对传统高温固相法所具有的合成温度高、产物相不纯等缺点，通过特殊的制备方法-高能球磨法在较低的合成温度下制备出一系列稀土掺杂的AlON多形体荧光粉，研究他们的发光和结构性质，优化高能球磨参数、烧结温度、保温时间、稀土掺杂浓度以及退火工艺。通过分析XRD, PL, EDS、TEM、XAFS等结果，揭示稀土离子在基质中的价态信息和配位环境，并结合第一性原理理论计算进行进一步验证。上述结构信息为进一步提高发光性能提供理论指导。把所得荧光粉涂覆在匹配的LED芯片上，考察荧光粉的实际应用效果。本项目通过实验和理论计算相结合，最终获得基于新型基质的性质优异的氧氮化物荧光粉。