科学网—福建师范大学/杭州电子科技大学：用于全光谱照明的黄光Ba 2 Sc 2 B 4 O 11:Ce 3+微晶玻璃陶瓷的网络工程-清华大学出版社学术期刊的博文

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2025-10-24 10:42

| 个人分类: JAC | 系统分类: 论文交流

原文出自 Journal of Advanced Ceramics ( 先进陶瓷 ) 期刊

Cite this article:

Zhu S, Jin S, Zhan L, et al. Glass network engineering of yellow-emitting Ba 2 Sc 2 B 4 O 11 :Ce 3+ glass ceramics for full-spectrum lighting. Journal of Advanced Ceramics , 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221169

文章 DOI ： 10.26599/JAC.2025.9221169

ResearchGate ： Glass network engineering of yellow-emitting Ba 2 Sc 2 B 4 O 11 :Ce 3+ glass ceramics for full-spectrum lighting

1、 导读

近年来，紫光激发全光谱照明技术快速发展以满足高品质健康照明需求，但关键黄色荧光粉因紫光吸收弱及发光量子效率低仍短缺。本文通过玻璃网络工程调控 B 2 O 3 -BaO-Sc 2 O 3 体系，制备紫光激发黄光 Ba 2 Sc 2 B 4 O 11 (BSB):Ce 3+ 微晶玻璃（ GC ）。优化前驱玻璃 [BO 3 ]/[BO 4 ] 比值，为原位析晶非均匀成核创造条件，推动其高结晶度析晶。该材料量子效率达 95.0% 且稳定性优异，团队还据此构建 LED/LD 驱动全光谱光源，显色指数超 93 ，显著提升照明质量。研究凸显玻璃网络工程的关键作用，为高性能微晶玻璃设计提供新思路。

2、 研究背景

全球固态照明（ SSL ）爆发式增长，荧光粉转换技术应用广泛。当前主流方案为 450 - 460 nm 蓝光 LED/LD 搭配荧光粉产白光，但存在光谱连续性差、蓝光危害等问题。随健康生活需求提升，下一代照明需求已从高亮度升级为兼顾高亮度、超高显色指数与健康。因此， 400 - 420 nm 紫光 LED/LD 搭配多色发光材料的全光谱方案应运而生，具有高色彩保真度、与阳光高度相似的优势。

然而，现有发光材料多为传统方案开发，可被蓝光或 NUV 有效激发，在紫光下光学性能欠佳。如 YAG:Ce 3+ 荧光粉，因对紫光吸收不佳，激发波长从 450 nm 蓝光转为 410 nm 紫光时，光致发光量子产率（ PLQY ）从 97.0% 降至 75.0% 。全光谱照明时代下，其竞争力将减弱，或失市场主导地位。当前 SSL 用高性能紫光激发黄色发光材料严重短缺，凸显开发紧迫性。

3、 文章亮点

（ 1 ）提出一种玻璃网络调控策略，通过优化 [BO 3 ]/[BO 4 ] 比率改变玻璃网络结构，为原位玻璃结晶过程中的异质成核创造有利的位点，实现性能优化；

（ 2 ）获得的 BSB:Ce 3+ 微晶玻璃实现 95.0% 的内部量子效率和 46.0% 的外部量子效率，并在光湿热等方面表现出卓越的稳定性，显著优于大多数高性能紫光激发荧光粉材料；

（ 3 ）将该材料应用于高功率发光二极管（ LED ）和激光二极管（ LD ）驱动的全光谱光源，均表现出非常出色的性能，显色指数（ CRI ）超过 93 ，确保了卓越的整体色彩再现质量，优于多数紫光激发荧光粉和玻璃陶瓷荧光材料。

4、 研究结果及结论

本研究设计 x B 2 O 3 -2BaO-Sc 2 O 3 - y CeO 2 （ x = 2.0 - 3.0 ， y = 0.01 - 0.15 ）系列前驱体玻璃，通过熔融淬火 - 原位结晶方法，成功制备 BSB:Ce 3+ 微晶玻璃。 GC 在 410 nm 紫光激发下发射 540 nm 黄光（ FWHM = 127 nm ），内量子效率（ IQE ）达 95% 、外量子效率（ EQE ）达 46% ，显著优于 BSB:Ce 3+ 与 YAG:Ce 3+ 荧光粉；当 B 2 O 3 含量 x = 2.6 时， GC 辐射跃迁率最高、非辐射跃迁率最低，光学性能最优。

图 1 前驱玻璃成分设计、结构分析及光学性能表征

XRD 分析表明，经 900℃ 原位析晶后，前驱玻璃中成功析出 BSB 晶相。外观上，日光下 PG 透明、 GC 呈黄色，紫外光下 GC 发黄光，这直观显示出材料晶化前后光学差异。此外， TEM 观察到 GC 中 BSB 纳米晶与玻璃基质共存， HRTEM 显示晶格间距为 0.3308 nm （对应 BSB (221) 晶面）， FFT 验证高结晶度。

图 2 荧光陶瓷物相、微观结构及元素分布分析

XPS 、 11 B MAS-NMR 与 FTIR 证实， PG 和 GC 中均含 [BO 3 ] 三角形与 [BO 4 ] 四面体，且 GC 中 [BO 4 ] 占比随 B 2 O 3 含量增加而提升。低 B 2 O 3 时玻璃网络以 [BO 3 ] 为主，易均质成核（成核密度低、结晶度差）； x = 2.6 时 [BO 3 ]/[BO 4 ] 优化，促进非均质成核， GC 结晶度最高； B 2 O 3 过量则网络过致密抑制析晶，此结构调控为高量子效率奠定基础。

图 3 玻璃网络结构演变及析晶机制分析

进一步地， BSB:Ce 3+ GC 还表现出卓越的稳定性：在 150°C 时，其 PL 强度保持了室温值的 43% （而 BSB:Ce 3+ 荧光粉为 29% ） ; 在 85°C/85% 相对湿度下存放 20 天， GC 保持了初始强度的 92%; 水浸 30 天后，强度仅损失了 7% （荧光粉为 56% ）。上述结果表明，致密玻璃基质不仅保护 BSB 纳米晶免受外界侵蚀，还抑制非辐射跃迁，赋予 GC 优异的环境适应性。

图 4 荧光陶瓷稳定性综合评估

最后，将 BSB:Ce 3+ GC 与 410 nm 紫色 LED 芯片和商用蓝青色 / 红色荧光粉配对时， WLED 可产生 CRI 为 95.2 （所有 R1 - R15 值 >90 ）和相关色温 （ CCT ） 为 3902 K 的全光谱白光，与自然阳光非常相似。对于基于 LD 的照明（对于高亮度场景至关重要）， GC-LD 器件在 105 mW/mm 2 下保持稳定发射 1800 秒，显色指数为 93.3 ，证实 BSB:Ce 3+ GC 在高功率全光谱照明领域的应用潜力。

图 5 LED/LD 驱动全光谱照明器件性能

5、 作者及研究团队简介

朱双银（第一作者） ，福建师范大学物理与能源学院博士生。主要研究方向为稀土发光材料及其应用，特别是 Ce 3+ 、 Eu 2+ 掺杂发光微晶玻璃的开发和性能改进。

李心悦 ，杭州电子科技大学材料与环境工程学院副教授，硕士生导师。主要从事微晶玻璃发光材料的开发及其在光电器件中的应用。已主持国家自然科学基金青年项目 1 项，浙江省自然科学基金 1 项，作为主要参与人参与多项省部级项目。已在 Laser Photonics Rev., Adv. Opt. Mater., J. Mater. Chem. C, Sensor Actuat. B Chem. 等国际知名期刊上发表 SCI 论文 20 余篇，授权发明专利 5 项。

E-mail addresses: lixy@hdu.edu.cn

陈大钦 ，福建师范大学物理与能源学院教授，“闽江学者”特聘教授，博士生导师。主要从事无机发光材料与器件研发，以第一和通讯作者在 Sci. Adv., Adv. Mater. 和 Adv. Funct. Mater. 等期刊上发表 SCI 论文 200 多篇，论文他引 >22000 次， H 因子 90 ， ESI 高被引 30 多篇，授权发明专利 20 多项。主持国家重点研发课题和子课题、国家自然科学基金项目、福建 / 浙江省杰青、省重点等各类项目。 2020-2025 年连续多年入选《全球前 2% 顶尖科学家》年度和终生榜单。

E-mail addresses: dqchen@fjnu.edu.cn

作者及研究团队在 Journal of Advanced Ceramics 上发表的相关代表作：

1) Yang Z, Zheng S, Xi G, et al. Patterned phosphor-in-glass films with efficient thermal management for high-power laser projection displays. Journal of Advanced Ceramics , 2023, 12(11): 2075-2086. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220809

2) Ma Y, Li X, Wu L, et al. Preparation of (Lu,Y) 3 (Al,Sc,Cr) 2 Al 3 O 12 phosphor ceramics with high thermal stability for near-infrared LED/LD. Journal of Advanced Ceramics , 2024, 13(3): 354-363. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220860

3) Pang T, Lin S, You F, et al. Synergistic enhancement of crystallinity and transparency in Tb 3+ -doped nano-glass-ceramics for high-resolution X-ray imaging. Journal of Advanced Ceramics , 2025, 14(8): 9221122. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221122

《先进陶瓷（英文）》（ Journal of Advanced Ceramics ） 期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于 2012 年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版， 清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室 提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被 SCIE 、 Ei Compendex 、 Scopus 、 DOAJ 、 CSCD 等数据库收录。现为月刊， 2024 年发文量为 174 篇； 2025 年 6 月发布的影响因子为 16.6 ，连续 5 年位列 Web of Science 核心合集“材料科学，陶瓷”学科 33 种同类期刊第 1 名； 2024 年 11 月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目； 2025 年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学 1 区 Top 期刊。 2023 年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台 SciOpen 独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。

期刊主页： https://www.sciopen.com/journal/2226-4108

投稿地址： https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer

期刊 ResearchGate 主页： https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508

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