New understanding and development of novel red phosphors for solid state lighting

Belysning står för 19% av världens totala elförbrukning och det finns därför ett stort behov av nya energieffektiva och miljövänliga ljuskällor som kan ersätta gamla tekniker som håller på att fasas ut (glödlampor, som är energi-ineffektiva) eller är problematiska från ett miljömässigt perspektiv (fluorescerande lampor, som innehåller giftigt kvicksilver). Det är allmänt accepterat att så kallad halvledarbelysning (SSL - Solid State Lighting) kommer att ersätta dessa äldre belysningstekniker, och upptäckten av ljusblå lysdioder (LEDs - Light Emitting Diodes) i mitten av 90-talet har lett till utvecklingen av en teknik kapabel att framställa vitt ljus på ett tillförlitligt och energieffektivt sätt. Vitt ljus fås genom att en blå lysdiod beläggs med ett så kallat fosforescerande material, som omvandlar en del av den blåa strålningen till gult ljus, vilket resulterar i vitt ljus. Det fosforescerande materialet (fosforn) består vanligtvis av ett inorganiskt material innehållande en liten mängd av så kallade aktivatorjoner (oftast Ce3+), vilka omvandlar det blåa ljuset till längre våglängder genom en elektronisk övergång (excitation). Tekniken fungerar mycket väl i termer av effektivitet, men är ännu inte lämplig för behaglig inomhusbelysning då det vita ljuset är blåaktigt och därför upplevs som kallt. Ett sätt att producera varmare ljus är att använda sig av en blå lysdiod i kombination med en blandning av en grön och en röd fosfor, eller genom att använda sig av en ultraviolett lysdiod i kombination med en blandning av en blå, grön, och röd fosfor. Vad gäller omvandling till blått eller grönt ljus, så finns det redan många väl fungerande fosforescerande material, men vad gäller omvandling till rött ljus så finns det ett stort behov av nya material. Dagens röda fosforer är alla olika typer av så kallade nitrider eller oxynitrider, som använder sig av Eu2+ som aktivatorjon. Även om några av dessa fosforer uppvisar stor potential att kunna utvecklas till väl fungerande fosforer för effektiv emission av rött ljus, så är de svåra att syntetisera och dessutom dyra. Av denna anledning så är vårt förslag att utveckla nya röda fosforer som, till skillnad mot de flesta sådana, använder sig av Eu3+ som aktivatorjon. Eu3+ emitterar ljus i det röda området vid bestrålning med både blått och ultraviolett ljus, men är, i relation till Eu2+, mycket svårare att excitera. Emissionsintensiteten har dock visat sig öka när den lokala strukturella symmetrin kring Eu3+ -jonen är distorderad (från perfekt sfärisk symmetri) och avståndet mellan närliggande Eu3+ -joner är maximerat. Vi föreslår därför att syntetisera och utveckla nya Eu3+ -aktiverade material där omgivningen kring Eu3+ -jonerna är så distorderad som möjligt och avståndet mellan två närliggande Eu3+ -joner är så stort som möjligt. Studierna kommer fokuseras på så kallade molybdater, tungstater, och tantalater, vilka har visat sig mest lovande. Parallellt till ett ambitiöst materialsyntesprogram ämnar vi undersöka den lokala strukturen och dynamiken kring Eu3+ -jonerna i de nyutvecklade fosforerna, genom användandet av avancerade spektroskopiska metoder, och korrelera lokal struktur och dynamik till fosforernas prestanda. Målet med detta är att, på en mycket djup nivå, utveckla en förståelse för vilka strukturella och dynamiska egenskaper som bestämmer de ljusemitterande egenskaperna hos en fosfor. Sådan fundamental förståelse gör det möjligt att på ett systematiskt sätt kunna optimera utvecklingen av nya fosforer vad gäller kemisk sammansättning, för att till slut erhålla en lysdiod för produktion av vitt ljus med bästa möjliga prestanda. Efter det att vi har tagit fram optimerade fosforer så kommer vi testa och utvärdera dess faktiska prestanda i nya lysdioder-prototyper som kommer konstrueras under projektets gång. Till sist vill vi poängtera att utvecklingen av LED-teknologi för produktion av vitt ljus är en mycket lovande belysningsteknologi som uppvisar potential att kunna spara många miljarder Euro i energikostnader varje år. Undersökningar visar på att marknaden för fosforbaserade lysdioder för produktion av vitt ljus kommer öka med 500% under åren 2012-2019, till ett värde av cirka 2 miljarder Euro. I detta avseende tror vi att den planerade forskningen kan bli belönande i termer av både signifikanta genombrott i grundläggande vetenskap och i utveckling av nästa generations energisnåla och miljövänliga belysningsapparatur för behaglig inomhusbelysning.

Participants

Maths Karlsson (contact)

Forskare vid Chalmers, Physics, Condensed Matter Physics

Funding

Formas

Funding years 2014–2016

Related Areas of Advance and Infrastructure

Sustainable development

Driving Forces

More information

Created

2015-02-12