植物生长LED用Sr2MgAl22O36∶Mn4+荧光玻璃的制备与发光性质

杨茂林，郑俊丽，余丽萍，廉世勋，周文理

(湖南师范大学 化学化工学院，湖南 长沙 410081)

1 引 言

随着世界人口的增长，发展室内植物种植来扩大农业生产力以供应足够的食物是非常必要的。对于室内种植来说，光能是植物生产的核心[1]。近几十年来，植物生长光源的主流是单色发光二极管(LED)，因其发射光谱可以实现与叶绿素吸收光谱完美匹配。作为植物体内的光感受器，光敏色素(Phytochroms)对红光(Pr，～660 nm)和远红光(Pfr，～730 nm)特别敏感，是二者进行可逆转化的光感受器[2]。与传统的植物生长光源如卤素灯和高压钠灯相比，LED具有发光效率高、能耗低、易调节、光谱匹配高等优点[3]。

传统LED的封装需要硅胶或者有机树脂来固定荧光粉，其导热系数低、热稳定性差、易老化，最终导致器件的性能变差[4]。将荧光粉与玻璃基质混合制备荧光玻璃(Phosphor-in-glass，PiG)的技术已被提出用于解决上述问题[5-7]。PiG可在低温下(<800 ℃)烧制而成，生产成本低，色坐标可控，用无机透明玻璃代替硅不仅能保持荧光粉的发光性质，还能增强其稳定性[8]。由于优异的光、热及化学稳定性，PiG已经被证实可作为大功率白光LED颜色转换器的潜在替代品[9]，如SrLu2O4∶Ce3+玻璃陶瓷、Ca-α-SiAlON-PiG、CaAlSiN3∶Eu2+-PiG等[10-12]。目前，基于YAG∶Ce3+黄色荧光粉的PiG报道较多[13-15]，但由于其发射光谱的限制，该YAG∶Ce3+-PiG大多用于照明白光LED，难以应用于植物照明。最近，Wang等[16]将红色BaMgAl10O17∶Mn4+,Mg2+荧光粉嵌入到氧化物玻璃基质中，成功制备了暖白光PiG-LED，具有较好的显色指数和可调的相关色温。Deng等[17]制备了3.5MgO·0.5MgF2· GeO2∶Mn4+红色发光玻璃陶瓷，并应用到高功率人工植物生长LED。

选择具有合适发光性质的荧光粉对于植物生长LED的PiG来说尤为重要。如果LED器件的发光光谱与植物光敏色素的吸收光谱匹配不佳，易造成能源浪费。科学家们已经研究了许多与植物生长匹配的发光材料。例如，郭等[2,18]研究了立方相La(MgTi)1/2O3∶Mn4+荧光粉的远红光发光性质及构效关系，以及植物生长LED的艾默生增强效应。据报道，Sr2MgAl22O36∶Mn4+(SMA∶Mn4+)荧光粉发射峰在660 nm左右，与光敏色素(如chl.a，Pr., Pfr.)在红光区域的吸收光谱匹配较好，且具有较高的量子效率(QE=80%)[19]。本研究选择SMA∶Mn4+荧光粉，以SiO2-Al2O3-ZnO-BaO-B2O3玻璃[20-21]为基质，采用两步烧结法低温制备了红光荧光玻璃SMA∶Mn4+-PiG。本工作主要研究了系列PiG样品的微观结构和组成、激发和发射光谱性质、衰减特性以及热稳定性。……