Ce3+激活的CaYAlO4橙光激光陶瓷、制备方法和应用

本发明属于物理学中的固体发光材料及激光照明，具体涉及一种通过sc调控ce3+占位并通过si改善晶格刚性的cayalo4基橙光发射氧化物荧光陶瓷、其制备方法以及在蓝光激光照明器件中的应用。

背景技术：

1、激光二极管能够在远高于普通led的功率密度下工作，具有亮度高、方向性好、准直性强等优点，在汽车前照灯、机场照明、投影显示、搜索照明以及其他高功率照明系统中具有重要应用。此类应用要求发光转换材料同时具备高热导、化学稳定、抗光饱和和易陶瓷化等特点。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷或不足，本发明提供了一种ce3+激活的cayalo4橙光激光陶瓷。

2、为此，本发明所提供的激光陶瓷以cayalo4为基质，以ce3+为发光激活剂，并含有用于调控ce3+占位的sc元素；所述sc元素部分取代cayalo4中alo6框架的al位，使ce3+由ca位优先占位向y位占位转移，从而产生y位ce3+橙光发射中心。所述荧光陶瓷的化学通式为cayal1-xscxo4:zce3+，其中，x为sc的掺杂浓度，z为ce3+的掺杂浓度， 0.02≤x≤0.30，0.001≤z≤0.10；优选0.05≤x≤0.20。

3、进一步的方案中，所述激光陶瓷还含有si元素；其化学通式为cayal1-x-yscxsiyo4:zce3+，其中，y为si的掺杂浓度，0.02≤x≤0.30，0.01≤y≤0.15，0.001≤z≤0.10；优选x=0.20，y=0.05～0.10。

4、进一步，所述y位ce3+橙光发射中心的发光衰减寿命为20～30 ns。

5、本发明还提供了上述激光陶瓷的制备方法，所述方法包括以下步骤：

6、步骤1，按照目标化学式中各元素的摩尔量称取含ca、y、al、ce和sc的原料，加入无水乙醇或去离子水混合研磨；其中含ca原料选自：caco3或cao，含y原料选自y2o3或y(no3)3，含al原料选自al2o3、al(oh)3或alf3，含ce原料选自ceo2或ce(no3)3，含sc原料选自sc2o3；

7、步骤2，将混合料在80～120 ℃下干燥；随后在1000～1550 ℃下预烧2～10小时得到荧光粉体；

8、步骤3，再将粉体研细、过筛、压片或等静压成型，在1400～1700 ℃下烧结1～10小时，得到致密荧光陶瓷；最后经切割、研磨和抛光得到可用于激光照明的激光陶瓷片。

9、进一步的方案中，步骤1中按照目标化学式中各元素的摩尔量称取含ca、y、al、ce和sc的原料，加入无水乙醇或去离子水混合研磨；含si原料选自sio2。

10、本发明的激光陶瓷材料通过sc取代alo6框架中的al位，调节晶格结构和ce3+占位偏好，激活隐藏的y位ce3+橙光发射中心，其100ns以下的寿命十分有利于激光照明应用。所述sc优先取代cayalo4中alo6八面体框架的al位并形成sco6结构单元。由于sc3+离子半径大于al3+，sc取代使晶格膨胀，使ce3+占位由传统ca位向y位转移。所述y位ce3+中心在460 nm附近蓝光激发下产生580～600 nm橙光发射，衰减寿命约23 ns。

11、进一步的方案中，通过si进一步调节al位框架刚性，热猝灭得到抑制，降低sc取代带来的结构畸变，提高橙光外量子效率和高温发光保持率。sc/si协同调控陶瓷的外量子效率可提高到约31%，在150 ℃下的发光强度保持率可提高到约53%。

12、ce3+的5

d-4

f跃迁为允许跃迁，通常具有纳秒量级辐射寿命，适于在高光子通量下工作。然而，ce3+自由离子的4

f-5

d跃迁能量较高，要在氧化物中实现约600 nm的橙光发射，需要显著的晶场劈裂和质心位移。现有典型ce3+激活氧化物陶瓷如yag:ce3+主要发射黄光，峰位通常在约550 nm附近，难以获得真正的橙光。

13、cayalo4结构中存在彼此分离的ca层和y层。传统cayalo4:ce3+材料通常表现为ca位ce3+中心引起的430 nm蓝光发射，而y位ce3+中心因形成能较高、占位比例低，未能被有效激活。

14、与现有技术相比，本发明利用sc诱导的占位调控在成熟cya基质中激活了隐藏y位ce3+橙光中心，实现了ce3+氧化物陶瓷中较长波长的580～600 nm橙光发射；本发明所获得的材料是属于ce3+激活的600 nm氧化物橙光发射陶瓷材料，且保持100纳秒以下的衰减寿命，可缓解强激光激发下的发光饱和。并且，si进一步改善晶格刚性和热稳定性，提高外量子效率和高温发光保持率。

15、橙光激光照明在雾、雨、烟尘等复杂环境下具有更好的穿透能力和视觉识别效果，适用于夜间远距离指示和高穿透照明。现有橙光氧化物转换材料多依赖eu3+、eu2+或mn4+等激活离子，其激发态寿命较长，在强激光激发下容易发生激发态累积、激发态吸收和光饱和，限制了高功率激光照明中的稳定输出。本发明的材料可制备为高致密荧光陶瓷，并可与蓝光激光器构成方向性强、亮度高的橙光激光照明器件。具体的，本发明的激光陶瓷能够与450 nm蓝光激光器组装成高亮度橙光激光照明器件。

1.一种ce3+激活的cayalo4橙光激光陶瓷，其特征在于：所述激光陶瓷以cayalo4为基质，以ce3+为发光激活剂，并含有用于调控ce3+占位的sc元素；所述sc元素部分取代cayalo4中alo6框架的al位，使ce3+由ca位优先占位向y位占位转移，从而产生y位ce3+橙光发射中心。

2. 一种ce3+激活的cayalo4橙光激光陶瓷，其特征在于：所述激光陶瓷的化学通式为cayal1-xscxo4:zce3+，其中，x为sc的掺杂浓度，z为ce3+的掺杂浓度， 0.02≤x≤0.30，0.001≤z≤0.10；优选0.05≤x≤0.20。

3.根据权利要求1或2所述的激光陶瓷，其特征在于：所述激光陶瓷还含有si元素；其化学通式为cayal1-x-yscxsiyo4:zce3+，其中，y为si的掺杂浓度，0.02≤x≤0.30，0.01≤y≤0.15，0.001≤z≤0.10；优选x=0.20，y=0.05～0.10。

4. 根据权利要求1或2所述的激光陶瓷，其特征在于：所述y位ce3+橙光发射中心的发光衰减寿命为20～30 ns。

5.权利要求1或2所述激光陶瓷的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤1中按照目标化学式中各元素的摩尔量称取含ca、y、al、ce和sc的原料，加入无水乙醇或去离子水混合研磨；含si原料选自sio2。

7.权利要求1或2所述激光陶瓷在制备激光发光器件中的应用。