快速烧结高效磷光玻璃薄膜：为激光驱动光源开辟新路径

为解决传统烧结制备磷光玻璃薄膜（PiGF）时存在的磷光体热侵蚀、降解及能耗大等问题，中国科学院福建物质结构研究所等单位的研究人员开展了快速热退火（RTA）技术制备 PiGF 的研究。结果显示该技术能快速致密化薄膜，提升发光性能，为新型光功能材料应用提供了可能。

　　在照明技术不断追求高亮度和环保的当下，激光驱动光源凭借其高功率密度和壁插效率备受瞩目。在构建激光照明系统时，氮化物和氧氮化物磷光体作为颜色转换器至关重要。然而，传统的磷光体封装材料，如以有机硅树脂为封装介质的磷光体 - 硅酮（PiS）复合材料，在高温下容易老化，热稳定性和耐久性不佳。而全无机颜色转换器，尤其是磷光玻璃薄膜（PiGF），成为了研究热点。但传统制备 PiGF 的方法需要高温长时间烧结，不仅能耗大，还会导致磷光体降解、化学侵蚀，特别是氮化物和氧氮化物磷光体易被氧化，严重限制了 PiGF 的发展 。

为解决这些问题，中国科学院福建物质结构研究所、福建光电信息科技创新实验室等单位的研究人员开展了相关研究，成果发表于《Nature Communications》。该研究创新地引入快速热退火（RTA）技术制备 PiGF，为激光驱动光源领域带来了新突破。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：通过有限元方法模拟 RTA 设备内样品的加热曲线和温度分布；运用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等多种微观结构分析手段研究样品微观结构；利用荧光光谱仪等测量样品的发光性能 。

研究结果

1. RTA 技术制备 PiGF：RTA 技术以高达 55°C/s 的加热速率，能在数秒内实现 PiGF 的致密化。先将氮化物磷光体、玻璃粉和有机胶体按比例混合，再涂覆在高导热基板上干燥，最后在 RTA 设备中烧结得到 PiGF。与传统马弗炉烧结相比，RTA 烧结能快速升温至目标温度，能耗仅为传统方法的 4.3%，且温度分布均匀，适合大规模制造和高通量筛选 。
2. 高通量快速筛选和通用性：RTA 技术可快速合成 PiGF，加速高性能 PiGF 材料的筛选。研究人员用 5 种常见氮化物和氧氮化物磷光体与 5 种商业玻璃粉进行实验，发现不同磷光体在该烧结条件下有不同的最佳匹配玻璃粉。通过优化 RTA 工艺参数，如温度和保温时间，能得到量子效率最高的红色 SCASN:Eu PiGF。此外，RTA 技术通用性强，可用于多种氮化物、氧氮化物 PiGF，还能拓展到氧化物、硫化物等磷光体系，且在不同基板上都能制备出高性能的 PiGF 。
3. RTA 处理的 PiGF 的微观结构：通过 SEM 和 Micro-CT 等测试手段研究发现，RTA 过程中玻璃前驱体经历了颗粒粘连、孔隙变化等阶段，最终形成致密玻璃薄膜，孔隙率仅 0.52%。SCASN:Eu 磷光体粉末呈棒状，在 PiGF 中其形貌和尺寸无明显变化，说明界面反应不显著。PiGF 的孔隙率为 2.9%，虽然高于玻璃薄膜，但仍很致密。TEM 和 HRTEM 观察表明，RTA 处理的 PiGF 中磷光体颗粒完整，能有效抑制界面反应 。
4. RTA 处理的 PiGF 的发光性能：由于 RTA 烧结过程快，有效减轻了氮化物磷光体的氧化。SCASN:Eu-PiGF-RTA 的内部量子效率（IQE）高达 91.2%，高于其他红色荧光材料。其发光寿命、热稳定性也优于传统烧结制备的样品。优化制备的 RTA 处理的 S-PiGF 磷光轮，在 455nm 蓝光激光激发下，发光性能优异，如特定条件下发光通量可达 2379lm，发光效率为 140lm/W 。
5. 应用：将 RTA 处理的 PiGF 应用于激光驱动显示系统，构建的显示系统能产生更鲜艳、视觉效果更好的显示效果。在全息投影应用中，能实现虚拟与现实元素的交互，展示了 RTA 技术在虚拟现实领域的应用潜力 。

研究表明，RTA 技术能在较低温度下快速致密化 PiGF，有效减轻侵蚀和氧化影响，保留磷光体发光效率。该技术尤其适用于与玻璃共烧结不稳定的磷光体，如稀土掺杂（氧）氮化物。RTA 处理的 SCASN:Eu PiGF 在红色发光无机块状颜色转换器中 IQE 最高。这一研究为探索更高效的 PiGF 系统带来新机遇，有望推动下一代高功率激光照明和显示以及其他新兴光子应用的发展。