монокристаллический люминофорный материал для светодиодов белого света

Формула изобретения

Монокристаллический люминофорный материал для светодиодов белого света, включающий иттрий-алюминиевый гранат, активированный церием, отличающийся тем, что он представляет собой твердый раствор оксида алюминия и иттрий-алюминиевого граната с церием и имеет состав, соответствующий формуле

Y_3-xCe _xAl_5+yO_12+1.5y,

где x=0,02-0,05,

y=0,17-3,97.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области люминофорных материалов, которые обладают способностью люминесцировать при воздействии на них излучения ртутно-кварцевой лампы (или другими источниками излучения) и могут быть использованы в светодиодах белого света.

Широко известны люминофоры для светодиодов белого света, материалом которых является иттрий-алюминиевый гранат с церием (YAG:Ce). Это эпитаксиальные пленки и порошки, реже - прозрачные керамики («Фотолюминофоры на основе YAG, активированные Се⁺³, в светодиодах белого света» Меркушев О.М., Ведерникова Л.Г. Санкт-Петербургский государственный технологический институт). Эти материалы, помимо сложности и дороговизны их получения, работают в достаточно узких интервалах температур и климатических условиях и имеют ограничения на срок службы - световой поток может упасть вдвое спустя нескольких тысяч часов работы.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению являются люминофоры на основе флуоресцирующего материала - иттрий- алюминиевого граната, активируемого церием (YAG:Ce) с различным составом, включая иттрий и алюминий и сохраняя при этом стехиометрию иттрий-алюминиевого граната (Патент США № 5998925, МПК: H01J 1/62, H01J 63/04, 1997 г.). Однако известный люминофорный материал обладает недостаточной интенсивностью фотолюминесценции с ограничением работы в определенных климатических условиях, что значительно сужает область применения светодиодов белого света.

Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение интенсивности фотолюминесценции люминофорного материала в сочетании с высокой стабильностью эксплуатации его в меняющихся климатических условиях.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что монокристаллический люминофорный материал для светодиодов белого света, включающий иттрий - алюминиевый гранат, активированный церием, представляет собой твердый раствор оксида алюминия и иттрий -алюминиевого граната с церием и имеет состав, соответствующий формуле

Y_3-xCe_xAl_5+yO_12+1,5y ,

где x=0,02-0,05,

y=0,17-3,97.

Отличительными признаками предлагаемого изобретения является то, что люминофорный материал представляет собой твердый раствор оксида алюминия и иттрий-алюминиевого граната с церием и имеет состав, соответствующий формуле

Y _3-xCe_xAl_5+yO_12+1,5y

где x=0,02-0,05,

y=0,17-3,97.

Следует отметить, что основной вклад в увеличение интенсивности фотолюминесценции вносит увеличение содержания в составе твердого раствора оксида алюминия, и даже при одном и том же количестве церия интенсивность фотолюминесценции существенно возрастает.

Указанные свойства люминофорного материала связаны с тем, что высокая концентрация оксида алюминия по сравнению с иттрий- алюминиевым гранатом, активированным церием способствует образованию в расплаве церийсодержащих нанокластеров алюминия, что приводит к увеличению коэффициента концентрации церия и равномерности его распределения в кристаллической матрице твердого раствора.

Оптимальный состав твердого раствора определен эмпирически, при y=0 фотолюминесценция не превышает 45000 отн. ед., при y>3.99 люминесценция практически не наблюдается, так как твердый раствор по составу приближается к эвтектике. Максимальная интенсивность фотолюминесценции наблюдается при у=2,9, и этот состав твердого раствора следует считать оптимальным.

Пример 1. Для получения твердого раствора состава Y_2,95Ce _0.05Al₅O₁₂ (y=0) приготовлена смесь из порошкообразных оксидов общим весом 1200 г состава: Y ₂O₃ - 674,87 г; CeO₂ - 8,76 г; Al ₂O₃ - 516,47 г. После перемешивания смесь помещалась в молибденовый тигель, который устанавливали в тепловой узел с вольфрамовым нагревателем промышленной установки «Сапфир2МГ». Расплавление и последующую кристаллизацию смеси проводили методом направленной кристаллизации в вакууме при скорости протяжки тигля через зону нагрева 4 мм/час. После завершения цикла материал извлекается из тигля. Он желтого цвета, прозрачен, не содержит посторонних фаз. Из образца полученного материала снят спектр фотолюминесценции при возбуждении ртутно-кварцевой лампой. Интенсивность фотолюминесценции не превышала 45000 отн. ед. с пиком эмиссии на длине волны 540 нм (рис.1).

Пример 2. Для получения твердого раствора состава Y_2,98Ce_0,02Al ₈O₁₆, (y=2,9) приготовлено 1200 г смеси из порошкообразных оксидов состава: Y₂O₃ - 541,2 г, CeO ₂ - 2,76 г, Al₂O₃ - 654,04 г. Смесь перемешивали, насыпали в молибденовый тигель, который помещали в тепловой узел с нагревателем из вольфрама установки «Сапфир 2МГ». Расплавление и направленную кристаллизацию смеси вели в вакууме при скорости протяжки контейнера 4 мм/час. Получен материал ярко-желтого цвета, прозрачный, без включений. Снятый с полученного материала при его облучении ртутно-кварцевой лампой спектр фотолюминесценции имел интенсивность 100000 отн. ед. на длине волны 540 нм (рис.2).

Пример 3. Для получения твердого раствора состава Y_2,98Ce_0,02Al _8,99O₁₈ (y=4) приготовлена смесь порошкообразных оксидов весом 1200 г: Y₂O₃ - 502,92 г, CeO₂ - 6,48 г, Al₂O₃ - 690,6 г. Молибденовый контейнер со смесью поместили в установку «Сапфир 2МГ». Плавление и последующую кристаллизацию вели в вакууме при скорости протяжки контейнера 4 мм/час. Получен непрозрачный материал, слабо люминесцирующий в области 380 нм.

Из приведенных примеров очевидна возможность получения твердого раствора оксида алюминия и иттрий-алюминиевого граната с церием.

Использование предлагаемого люминофорного материала дает возможность увеличить в два раза интенсивность фотолюминесценции в сочетании с высокой стабильностью ее в меняющихся климатических условиях, что позволяет существенно расширить область применения светодиодов белого света.