全球十大照明新材料盤點(diǎn)
照明產(chǎn)品要展現(xiàn)卓越的性能,離不開其優(yōu)良的“基因”。作為照明產(chǎn)品“基因序列”的重要組成部分,材料的功能性特點(diǎn)十分重要。近年來,憑借著全球科研人員孜孜不倦的努力,多個(gè)與照明產(chǎn)品性能升級息息相關(guān)的新材料悉數(shù)面世,為照明用戶不斷締造著源源不斷的科技與生活價(jià)值。 下面,中國照明網(wǎng)通過對2020年全球十大照明新材料的展示,為新一年照明業(yè)界的科研創(chuàng)新加油鼓勁。 一、二氧化硅陣列圖案化藍(lán)寶石 1月,全球多國科研人員組成的國際研究團(tuán)隊(duì)通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),具有二氧化硅陣列的圖案化藍(lán)寶石(patterned sapphire with silica array,PSSA)是一種新型襯底,采用此襯底可大幅提高銦氮化鎵、鋁氮化鎵(InGaN/AlGaN)UV LED的效率。 對于在傳統(tǒng)PSS上生長基于AlGaN的UV LED,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明AI吸附原子的較大粘附系數(shù)會(huì)引起AlGaN在藍(lán)寶石圖案側(cè)壁上的取向錯(cuò)誤生長。結(jié)果還表明AlGaN與藍(lán)寶石之間的有限折射率對比阻礙了藍(lán)寶石圖案的光輸出耦合能力。鑒于此,*先進(jìn)的UV LED仍然存在結(jié)晶質(zhì)量差及光提取效率低等問題。 實(shí)驗(yàn)中,研究人員成功采用PSSA(即用二氧化硅陣列取代了藍(lán)寶石圖案)提升了結(jié)晶質(zhì)量以及光提取效率,同時(shí)發(fā)現(xiàn),得益于其具有更好的垂直生長模式并減少了聚結(jié)邊界上的錯(cuò)配,PSSA降低了AlGaN外延層的螺紋位錯(cuò)密度。由于圖案化二氧化硅陣列具有更高的折射率,在將光重定向到頂層和底層逃逸錐面這一點(diǎn)上,PSSA能夠比PSS更好地起到反射和折射的作用。 二、基于鎢的三維光子晶體 3月,美國倫斯勒理工學(xué)院的物理學(xué)家Shawn-Yu Lin通過系列研究發(fā)現(xiàn)一種名為基于鎢的三維光子晶體(結(jié)構(gòu)與金剛石晶體類似)的新材料,它受熱的發(fā)光強(qiáng)度似乎超越了黑體輻射極限。 Shawn-Yu Lin發(fā)現(xiàn),當(dāng)加熱至600K時(shí),該新材料發(fā)光強(qiáng)度是黑體基準(zhǔn)的8倍,材料結(jié)構(gòu)顯示出約1.7μm的輻射峰值。與此同時(shí),新材料能發(fā)出類似由激光或發(fā)光二極管(LED)產(chǎn)生的同調(diào)光,但并不需要復(fù)雜昂貴的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。 研究結(jié)果顯示,該新型材料產(chǎn)生熱量的一種新方法,雖然理論無法完全解釋這種現(xiàn)象,但科學(xué)家假設(shè)光子晶體各層之間的偏移允許光從晶體內(nèi)部空間射出,發(fā)出的光在晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)來回反彈從而改變了光的性能,行為幾乎就像人造雷射材料。鑒于該材料這樣的特性,其可用于能量收集、軍事用紅外物體追蹤識別、大氣化學(xué)光譜學(xué)研究、激光等領(lǐng)域。 三、藍(lán)光鹵化物鈣鈦礦晶體 3月,美國加州大學(xué)伯克利分校(University of California, Berkeley,UC Berkeley)的科學(xué)家使用一種新型鹵化物鈣鈦礦半導(dǎo)體材料制造出藍(lán)光LED,克服了將這些廉價(jià)且易于制造的材料應(yīng)用到電子器件中所面臨的主要障礙。 該高校科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn),鹵化物鈣鈦礦的不穩(wěn)定性是由鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性質(zhì)所致,此結(jié)構(gòu)是由金屬和鹵原子組成。當(dāng)這些元素在溶液中混合一起然后干燥時(shí),原子就會(huì)組成一個(gè)晶體。加州大學(xué)伯克利分校及伯克利實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)家使用一種新技術(shù)以及銫、鉛和溴等成分制造出發(fā)射藍(lán)光的鈣鈦礦晶體。 同時(shí),該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)這些晶體發(fā)射的光依賴于原子的排列及原子之間的距離,顏色隨溫度而變化。當(dāng)溫度為300開爾文時(shí),一個(gè)在發(fā)射藍(lán)光(波長450納米)的鈣鈦礦晶體可突然在450開爾文時(shí)發(fā)射藍(lán)綠光。根據(jù)該新型材料顏色隨著溫度變化的特點(diǎn),其可以在不同的照明環(huán)境中得到多樣化應(yīng)用。 四、碘化亞銅半導(dǎo)體 3月,韓國科技研究院KIST宣布研究院研發(fā)團(tuán)隊(duì)使用由銅和碘成功合成碘化亞銅(CuI)化合物,并稱其能夠成為替代氮化鎵生產(chǎn)藍(lán)光LED的新型材料。 研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),碘化亞銅半導(dǎo)體發(fā)射出的藍(lán)光亮度是氮化鎵半導(dǎo)體的10倍以上。同時(shí),碘化亞銅半導(dǎo)體在效率與設(shè)備長期穩(wěn)定性方面的表現(xiàn)也更好。 KIST研究者開發(fā)出的碘化亞銅可在低成本的硅襯底上生長,且缺陷率低,因此碘化亞銅在使用目前已商用化的大尺寸硅襯底(300mm)上具備優(yōu)勢。同時(shí),碘化亞銅薄膜的生長溫度與硅基工藝中使用的溫度相似,即低于300攝氏度。因此,可在不犧牲其性能的條件下沉積碘化亞銅薄膜,鑒于此,它能夠應(yīng)用到低成本、簡單的硅半導(dǎo)體工藝中。 五、藍(lán)寶石襯底AlN膜 4月,中國武漢大學(xué)研究人員在藍(lán)寶石上制作高質(zhì)量的AlN膜,以提升UVC LED產(chǎn)品的發(fā)光強(qiáng)度,增加消毒能力。 為突破基板上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量AlN薄膜的挑戰(zhàn),研究人員特意設(shè)計(jì)了一種生長改性工藝,將降低了生長過程中破裂和降低了冷卻后壓縮應(yīng)力的空隙引入AlN膜中以進(jìn)行位錯(cuò)過濾和應(yīng)力消除,在平坦的藍(lán)寶石襯底上生產(chǎn)了幾乎無應(yīng)力的AlN膜。 通過該策略,使得基于AlGaN的UVC LED的商業(yè)化具有廣闊的前景。 六、100nm藍(lán)寶石納米薄膜 5月,韓國首爾國立大學(xué)(SNU)的研究團(tuán)隊(duì)成功在100nm的藍(lán)寶石納米薄膜上生長出Micro LED陣列。 相比在平面基板上生長的氮化鎵基Micro LED,在藍(lán)寶石納米薄膜上生長Micro LED的新方法將Micro LED的位錯(cuò)密度降低了59.6%,內(nèi)量子效率(IQE)提高了44%。此外,由此方法生長出的Micro LED的光致發(fā)光能力是前者的3.3倍,同時(shí)還可以通過機(jī)械力破壞藍(lán)寶石納米薄膜,可輕易將Micro LED與基板分離并轉(zhuǎn)移至顯示驅(qū)動(dòng)背板上,簡化了制程,降低了成本。 此技術(shù)的突破,克服了現(xiàn)階段Micro LED制造工藝的局限,將加快Micro LED顯示技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程。 七、寬譜帶白光發(fā)射非鉛鈣鈦礦膠體納米晶 6月,中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所復(fù)雜分子體系反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究組研究員韓克利團(tuán)隊(duì)通過對非鉛鈣鈦礦膠體納米晶的自陷態(tài)激子進(jìn)行調(diào)控,實(shí)現(xiàn)寬譜帶白光發(fā)射,并有效提高發(fā)光量子產(chǎn)率。 為進(jìn)一步研究帶隙類型對自陷態(tài)激子發(fā)光的影響,該團(tuán)隊(duì)深入研究了兩種不同帶隙類型的非鉛鈣鈦礦納米晶Cs2AgBiCl6(間接帶隙)和Cs2AgIn0.9Bi0.1Cl6(直接帶隙)的自陷態(tài)激子動(dòng)力學(xué)。研究結(jié)果表明,在間接帶隙納米晶中,光子的吸收與載流子的復(fù)合過程伴隨著強(qiáng)烈的電子—聲子耦合效應(yīng),自陷態(tài)激子主要以非輻射躍遷的方式復(fù)合,室溫下幾乎不發(fā)射熒光;在直接帶隙鈣鈦礦中,電子—聲子耦合強(qiáng)度相對適中,自陷態(tài)激子主要通過輻射躍遷發(fā)生復(fù)合,因此直接帶隙納米晶表現(xiàn)出明亮的寬譜帶白光發(fā)射。 基于上述機(jī)制,該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步合成了具有直接帶隙的K+/Ag+、Li+/Ag+合金雙鈣鈦礦膠體納米晶。飛秒瞬態(tài)吸收光譜研究發(fā)現(xiàn),K+/Ag+、Li+/Ag+合金雙鈣鈦礦膠體納米晶可以進(jìn)一步抑制自陷態(tài)激子的非輻射躍遷復(fù)合,因此該膠體納米晶表現(xiàn)出更高的發(fā)光量子產(chǎn)率及更寬的發(fā)光光譜。此外,該團(tuán)隊(duì)還利用該膠體納米晶材料,制備出具有白光發(fā)射的簡易LED器件。該工作加深了對非鉛鈣鈦礦自缺陷態(tài)激子動(dòng)力學(xué)的理解,并對室內(nèi)照明所用的白光發(fā)射非鉛鈣鈦礦材料的設(shè)計(jì)與合成具有指導(dǎo)意義。 八、可伸縮自愈電子材料 7月,新加坡國立大學(xué)(National University of Singapore ,NUS)的一組研究人員研發(fā)了一種稱為可自愈、低場照明光電可伸縮(HELIOS,即Healable, Low-field Illuminating Optoelectronic Stretchable)設(shè)備的介電常數(shù)很高且具有自愈特性的材料,降低了可伸縮光電材料的電子工作條件。 HELIOS是一種透明、有彈性的橡膠片,由獨(dú)特的氟橡膠和表面活性劑混合制成。其介電常數(shù)高使其能夠在較低的電壓條件下存儲(chǔ)更多的電子電荷,在用于發(fā)光電容器設(shè)備時(shí)就具有更高的亮度。與現(xiàn)有的可伸縮發(fā)光電容器不同,HELIOS能夠讓設(shè)備在比此前低4倍的電壓條件下啟動(dòng),亮度卻高出20倍。而且,在2.5 V/m的條件下,光線強(qiáng)度達(dá)1460 cd/m2,可與如今手機(jī)屏幕的亮度媲美,是迄今為止可拉伸發(fā)光電容器所能達(dá)到的*高亮度。 此外,HELIOS還具備抗撕裂和抗刺穿的特性,該材料分子之間的可逆鍵能夠被打破和改變,因而使其能夠在環(huán)境條件下自愈,能用于制造持久耐用的無線顯示屏,且可防損壞;還可用作自動(dòng)駕駛軟機(jī)器人的照明電子皮膚,用于智能室內(nèi)農(nóng)場、執(zhí)行太空任務(wù)或部署在災(zāi)區(qū)。其低功耗、自我修復(fù)照明皮膚更能夠?yàn)闄C(jī)器人提供安全照明,讓其可以在黑暗中工作,并且工作時(shí)間得到延長。 九、有機(jī)熱活化延遲熒光發(fā)光材料 11月,中國蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)研究院廖良生教授、蔣佐權(quán)教授基于新的發(fā)光分子構(gòu)建方式,設(shè)計(jì)合成應(yīng)用于顯示技術(shù)與照明科技的新型高效的有機(jī)熱活化延遲發(fā)光(TADF)材料。 如上圖,兩教授在研究工作中將帶有叔丁基的三苯胺作為給體(D),具有大平面共軛的2,4,6-三苯基-1,3,5-三嗪作為受體(A),螺環(huán)結(jié)構(gòu)作為剛性連接器連接了D/A基元,從而將它們限制在一個(gè)緊密堆積的共面結(jié)構(gòu)中,這樣的TADF材料分子可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)非常小的ΔEST和較高的PLQY,實(shí)驗(yàn)測得ΔEST*小達(dá)到0.01 eV,PLQY可達(dá)87%,在之前的研究基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了更加高效的器件發(fā)光,外量子效率達(dá)到30.8%,在1000cd/㎡亮度下滾降只有7%。同時(shí)叔丁基能夠改善材料的成膜性,有利于制作旋涂發(fā)光器件,溶液旋涂器件的外量子效率也能達(dá)到20%。 研究結(jié)果也顯示,該新型材料將為有機(jī)發(fā)光材料中的空間電子相互作用開辟了新途徑,并為設(shè)計(jì)高效發(fā)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,中國內(nèi)蒙古包頭稀土研究院新材料研發(fā)團(tuán)隊(duì)以稀土為原料,以壓延法成功制備熒光玻璃,并為熒光體制備出大功率白光LED樣燈,開辟了該項(xiàng)技術(shù)的國內(nèi)先河。 該新型材料能在吸收太陽光和燈光的能量之后,將部分能量儲(chǔ)存起來,然后緩慢地把儲(chǔ)存的能量以可見光的形式釋放出來,在光源撤除后仍能長時(shí)間地發(fā)出可見光,且還具有耐高溫、耐摩擦、高強(qiáng)度、耐刻劃、阻燃、高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)良特性,是理想的節(jié)能環(huán)保長壽命光學(xué)材料。 隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展,該新型材料未來在LED照明領(lǐng)域,無論是在經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防建設(shè)中將發(fā)揮巨大的潛力。