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全球十大照明新材料盘点

2021-02-21    

中国照明网原创

   作者:严志祥  

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导语: 照明产品要展现卓越的性能,离不开其优良的“基因”。作为照明产品“基因序列”的重要组成部分,材料的功能性特点十分重要。近年来,凭借着全球科研人员孜孜不倦的努力,多个与照明产品性能升级息息相关的新材料悉数面世,为照明用户不断缔造着源源不断的科技与生活价值。

  照明产品要展现卓越的性能,离不开其优良的“基因”。作为照明产品“基因序列”的重要组成部分,材料的功能性特点十分重要。近年来,凭借着全球科研人员孜孜不倦的努力,多个与照明产品性能升级息息相关的新材料悉数面世,为照明用户不断缔造着源源不断的科技与生活价值。

  下面,中国照明网通过对2020年全球十大照明新材料的展示,为新一年照明业界的科研创新加油鼓劲。

  一、二氧化硅阵列图案化蓝宝石

  1月,全球多国科研人员组成的国际研究团队通过相关实验发现,具有二氧化硅阵列的图案化蓝宝石(patterned sapphire with silica array,PSSA)是一种新型衬底,采用此衬底可大幅提高铟氮化镓、铝氮化镓(InGaN/AlGaN)UV LED的效率。

  对于在传统PSS上生长基于AlGaN的UV LED,实验结果表明AI吸附原子的较大粘附系数会引起AlGaN在蓝宝石图案侧壁上的取向错误生长。结果还表明AlGaN与蓝宝石之间的有限折射率对比阻碍了蓝宝石图案的光输出耦合能力。鉴于此,最先进的UV LED仍然存在结晶质量差及光提取效率低等问题。

  实验中,研究人员成功采用PSSA(即用二氧化硅阵列取代了蓝宝石图案)提升了结晶质量以及光提取效率,同时发现,得益于其具有更好的垂直生长模式并减少了聚结边界上的错配,PSSA降低了AlGaN外延层的螺纹位错密度。由于图案化二氧化硅阵列具有更高的折射率,在将光重定向到顶层和底层逃逸锥面这一点上,PSSA能够比PSS更好地起到反射和折射的作用。

  二、基于钨的三维光子晶体

  3月,美国伦斯勒理工学院的物理学家Shawn-Yu Lin通过系列研究发现一种名为基于钨的三维光子晶体(结构与金刚石晶体类似)的新材料,它受热的发光强度似乎超越了黑体辐射极限。

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  Shawn-Yu Lin发现,当加热至600K时,该新材料发光强度是黑体基准的8倍,材料结构显示出约1.7μm的辐射峰值。与此同时,新材料能发出类似由激光或发光二极管(LED)产生的同调光,但并不需要复杂昂贵的半导体结构。

  研究结果显示,该新型材料产生热量的一种新方法,虽然理论无法完全解释这种现象,但科学家假设光子晶体各层之间的偏移允许光从晶体内部空间射出,发出的光在晶体结构内来回反弹从而改变了光的性能,行为几乎就像人造雷射材料。鉴于该材料这样的特性,其可用于能量收集、军事用红外物体追踪识别、大气化学光谱学研究、激光等领域。

  三、蓝光卤化物钙钛矿晶体

  3月,美国加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley,UC Berkeley)的科学家使用一种新型卤化物钙钛矿半导体材料制造出蓝光LED,克服了将这些廉价且易于制造的材料应用到电子器件中所面临的主要障碍。

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图片来源:UC Berkeley

  该高校科学家研究发现,卤化物钙钛矿的不稳定性是由钙钛矿晶体结构的独特性质所致,此结构是由金属和卤原子组成。当这些元素在溶液中混合一起然后干燥时,原子就会组成一个晶体。加州大学伯克利分校及伯克利实验室的化学家使用一种新技术以及铯、铅和溴等成分制造出发射蓝光的钙钛矿晶体。

  同时,该团队还发现这些晶体发射的光依赖于原子的排列及原子之间的距离,颜色随温度而变化。当温度为300开尔文时,一个在发射蓝光(波长450纳米)的钙钛矿晶体可突然在450开尔文时发射蓝绿光。根据该新型材料颜色随着温度变化的特点,其可以在不同的照明环境中得到多样化应用。

  四、碘化亚铜半导体

  3月,韩国科技研究院KIST宣布研究院研发团队使用由铜和碘成功合成碘化亚铜(CuI)化合物,并称其能够成为替代氮化镓生产蓝光LED的新型材料。

  研究团队发现,碘化亚铜半导体发射出的蓝光亮度是氮化镓半导体的10倍以上。同时,碘化亚铜半导体在效率与设备长期稳定性方面的表现也更好。

  KIST研究者开发出的碘化亚铜可在低成本的硅衬底上生长,且缺陷率低,因此碘化亚铜在使用目前已商用化的大尺寸硅衬底(300mm)上具备优势。同时,碘化亚铜薄膜的生长温度与硅基工艺中使用的温度相似,即低于300摄氏度。因此,可在不牺牲其性能的条件下沉积碘化亚铜薄膜,鉴于此,它能够应用到低成本、简单的硅半导体工艺中。

  五、蓝宝石衬底AlN膜

  4月,中国武汉大学研究人员在蓝宝石上制作高质量的AlN膜,以提升UVC LED产品的发光强度,增加消毒能力。

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研究人员通过在生长过程中故意引入空隙来实现位错过滤和应力消除

  为突破基板上实现高质量AlN薄膜的挑战,研究人员特意设计了一种生长改性工艺,将降低了生长过程中破裂和降低了冷却后压缩应力的空隙引入AlN膜中以进行位错过滤和应力消除,在平坦的蓝宝石衬底上生产了几乎无应力的AlN膜。

  通过该策略,使得基于AlGaN的UVC LED的商业化具有广阔的前景。

  六、100nm蓝宝石纳米薄膜

  5月,韩国首尔国立大学(SNU)的研究团队成功在100nm的蓝宝石纳米薄膜上生长出Micro LED阵列。

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  相比在平面基板上生长的氮化镓基Micro LED,在蓝宝石纳米薄膜上生长Micro LED的新方法将Micro LED的位错密度降低了59.6%,内量子效率(IQE)提高了44%。此外,由此方法生长出的Micro LED的光致发光能力是前者的3.3倍,同时还可以通过机械力破坏蓝宝石纳米薄膜,可轻易将Micro LED与基板分离并转移至显示驱动背板上,简化了制程,降低了成本。

  此技术的突破,克服了现阶段Micro LED制造工艺的局限,将加快Micro LED显示技术的商业化进程。

  七、宽谱带白光发射非铅钙钛矿胶体纳米晶

  6月,中国科学院大连化学物理研究所复杂分子体系反应动力学研究组研究员韩克利团队通过对非铅钙钛矿胶体纳米晶的自陷态激子进行调控,实现宽谱带白光发射,并有效提高发光量子产率。

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Cs2AgIn0.9Bi0.1Cl6、K+/Ag+、Li+/Ag+合金双钙钛矿纳米晶的荧光图及色坐标图

  为进一步研究带隙类型对自陷态激子发光的影响,该团队深入研究了两种不同带隙类型的非铅钙钛矿纳米晶Cs2AgBiCl6(间接带隙)和Cs2AgIn0.9Bi0.1Cl6(直接带隙)的自陷态激子动力学。研究结果表明,在间接带隙纳米晶中,光子的吸收与载流子的复合过程伴随着强烈的电子—声子耦合效应,自陷态激子主要以非辐射跃迁的方式复合,室温下几乎不发射荧光;在直接带隙钙钛矿中,电子—声子耦合强度相对适中,自陷态激子主要通过辐射跃迁发生复合,因此直接带隙纳米晶表现出明亮的宽谱带白光发射。

  基于上述机制,该团队进一步合成了具有直接带隙的K+/Ag+、Li+/Ag+合金双钙钛矿胶体纳米晶。飞秒瞬态吸收光谱研究发现,K+/Ag+、Li+/Ag+合金双钙钛矿胶体纳米晶可以进一步抑制自陷态激子的非辐射跃迁复合,因此该胶体纳米晶表现出更高的发光量子产率及更宽的发光光谱。此外,该团队还利用该胶体纳米晶材料,制备出具有白光发射的简易LED器件。该工作加深了对非铅钙钛矿自缺陷态激子动力学的理解,并对室内照明所用的白光发射非铅钙钛矿材料的设计与合成具有指导意义。

  八、可伸缩自愈电子材料

  7月,新加坡国立大学(National University of Singapore ,NUS)的一组研究人员研发了一种称为可自愈、低场照明光电可伸缩(HELIOS,即Healable, Low-field Illuminating Optoelectronic Stretchable)设备的介电常数很高且具有自愈特性的材料,降低了可伸缩光电材料的电子工作条件。

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图片来源:新加坡国立大学

  HELIOS是一种透明、有弹性的橡胶片,由独特的氟橡胶和表面活性剂混合制成。其介电常数高使其能够在较低的电压条件下存储更多的电子电荷,在用于发光电容器设备时就具有更高的亮度。与现有的可伸缩发光电容器不同,HELIOS能够让设备在比此前低4倍的电压条件下启动,亮度却高出20倍。而且,在2.5 V/m的条件下,光线强度达1460 cd/m2,可与如今手机屏幕的亮度媲美,是迄今为止可拉伸发光电容器所能达到的最高亮度。

  此外,HELIOS还具备抗撕裂和抗刺穿的特性,该材料分子之间的可逆键能够被打破和改变,因而使其能够在环境条件下自愈,能用于制造持久耐用的无线显示屏,且可防损坏;还可用作自动驾驶软机器人的照明电子皮肤,用于智能室内农场、执行太空任务或部署在灾区。其低功耗、自我修复照明皮肤更能够为机器人提供安全照明,让其可以在黑暗中工作,并且工作时间得到延长。

  九、有机热活化延迟荧光发光材料

  11月,中国苏州大学功能纳米与软物质研究院廖良生教授、蒋佐权教授基于新的发光分子构建方式,设计合成应用于显示技术与照明科技的新型高效的有机热活化延迟发光(TADF)材料。

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  如上图,两教授在研究工作中将带有叔丁基的三苯胺作为给体(D),具有大平面共轭的2,4,6-三苯基-1,3,5-三嗪作为受体(A),螺环结构作为刚性连接器连接了D/A基元,从而将它们限制在一个紧密堆积的共面结构中,这样的TADF材料分子可以同时实现非常小的ΔEST和较高的PLQY,实验测得ΔEST最小达到0.01 eV,PLQY可达87%,在之前的研究基础上实现了更加高效的器件发光,外量子效率达到30.8%,在1000cd/㎡亮度下滚降只有7%。同时叔丁基能够改善材料的成膜性,有利于制作旋涂发光器件,溶液旋涂器件的外量子效率也能达到20%。

  研究结果也显示,该新型材料将为有机发光材料中的空间电子相互作用开辟了新途径,并为设计高效发光的TADF材料分子提供新的思路。

  十、大功率LED白光稀土材料

  12月,中国内蒙古包头稀土研究院新材料研发团队以稀土为原料,以压延法成功制备荧光玻璃,并为荧光体制备出大功率白光LED样灯,开辟了该项技术的国内先河。

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图片来源:包头新闻

  该新型材料能在吸收太阳光和灯光的能量之后,将部分能量储存起来,然后缓慢地把储存的能量以可见光的形式释放出来,在光源撤除后仍能长时间地发出可见光,且还具有耐高温、耐摩擦、高强度、耐刻划、阻燃、高化学稳定性等优良特性,是理想的节能环保长寿命光学材料。

  随着应用领域的不断拓展,该新型材料未来在LED照明领域,无论是在经济建设和国防建设中将发挥巨大的潜力。


  细微的存在,普世的价值!每一款照明新材料的诞生,都将成为照明新时代的一块重要拼图。展望已经到来的2021年,照明材料科研领域将有何创新之作?

  值得全球照明人的热切期待!

编辑:严志祥

来源:中国照明网原创

   作者:严志祥  

标签:照明  新材料  盘点  

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