CN114269882B - 发光材料，用于制造发光材料的方法和发射辐射的器件 - Google Patents
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Abstract
提出一种发光材料(1)，具有通式EA2A4D3OxN8‑x:RE，其中‑EA选自二价元素的组；‑A选自一价、二价或三价元素的组；‑D选自三价或四价元素的组；‑RE是活化剂元素，‑0≤x≤8，并且‑ε(4+4y+3z)＝3(8‑x)+2x，其中元素A的电荷数为y，元素D的电荷数为z和ε＝0.9‑1.1。此外，提出一种用于制造发光材料(1)的方法和一种光电子器件(10)。
Description
技术领域
提出一种发光材料和一种用于制造发光材料的方法。此外，提出一种发射辐射的器件。
发明内容
尤其地，目的是，提出一种具有提高的效率的发光材料。其他目的是提供一种用于制造具有提高的效率的发光材料的方法以及一种具有提高的效率的发射辐射的器件。
提出一种发光材料。根据至少一个实施方式，发光材料具有通式EA2A4D3OxN8-x:RE，其中
-EA选自二价元素的组；
-A选自一价、二价或三价元素的组；
-D选自三价或四价元素的组；
-RE是活化剂元素，
-0≤x≤8，并且
-ε(4+4y+3z)＝3(8-x)+2x，其中元素A的电荷数为y，元素D的电荷数为z并且ε＝0.9-1.1。
在此和在下文中，根据总式描述发光材料。在总式中列出的元素在此以带电形式存在。由此，在此和在下文中，关于发光材料的总式的元素或原子表示呈阳离子和阴离子的形式的离子，即使这没有详尽地给出。这也适用于元素符号，如果这些元素符号为了概览性在没有电荷数的情况下提到。
在提出的总式中可行的是，发光材料具有例如呈杂质的形式的其他元素。概括来说，所述杂质具有最高千分之一，尤其最高100ppm(百万分率，parts per million)，优选最高10ppm。根据在此所描述的总式，发光材料仅具有氮和/或氧作为阴离子。然而不排除，存在其他呈杂质形式的尤其阴离子元素。
关于特定元素的术语“化合价”在此表示，在化合物中需要多少具有单个相反电荷的元素，以便实现电荷平衡。因此，术语“化合价”包括元素的电荷数。
化合价为二的元素称作为二价元素。在化合物中，二价元素通常带两个正电荷并且电荷数为+2。例如，化合物中的电荷平衡可以经由带一个负电荷的另外两个元素或带两个负电荷的另一个元素来实现。在此，二价元素通常选自由碱土元素和锌构成的组。
一价元素是化合价为1的元素。在化合物中，一价元素通常带一个正电荷并且电荷数为+1。例如，化合物中的电荷平衡可以经由带一个负电荷的元素来实现。在此，一价元素通常选自由碱金属元素和铜、银和金构成的组。
三价元素是化合价为三的元素。在化合物中，三价元素通常带三个正电荷并且电荷数为+3。例如，化合物中的电荷平衡可以经由带三个负电荷的一个元素或通过带一个负电荷的三个元素来实现。在此，三价元素通常选自由硼、铝、镓、铟、钪、钇和稀土构成的组。
四价元素是化合价为四的元素。在化合物中，四价元素通常带四个正电荷并且电荷数为+4。例如，化合物中的电荷平衡可以经由带四个负电荷的一个元素、带两个负电荷的两个元素或带一个负电荷的四个元素来实现。在此，四价元素通常选自由硅、锗、锡、钛、锆和铪构成的组。
在此的发光材料具有氧和/或氮作为阴离子。氧和/或氮在此用作为用于阳离子的电荷平衡的阴离子。氧阴离子和氮阴离子在晶格中几乎可以任意地相互交换。发光材料总共具有八个阴离子。发光材料可以具有八个氧阴离子、八个氮阴离子或总共八个氧阴离子和氮阴离子的混合物。氧阴离子的数量x可以选自0≤x≤8。氮阴离子的数量则由8-x得出。
在此的发光材料能够以向外不带电的形式存在。这意味着，在发光材料中向外在正电荷和负电荷之间可以产生完全的电荷平衡。而也可行的是，发光材料形式上在很小程度上不具有完全的电荷平衡。在此的发光材料的电荷平衡根据ε(4+4y+3z)＝3(8-x)+2x得出，其中元素A的电荷数为y，元素D的电荷数为z，氧阴离子的数量为x和ε＝0.9-1.1。
这种发光材料可以将特定波长或特定波长范围的电磁辐射，下文称为初级辐射，转换成第二波长或第二波长范围的电磁辐射，下文称为次级辐射。初级辐射到次级辐射的转换也称为波长转换。特别地，在波长转换时，初级辐射由波长转换元件吸收，通过在原子和/或分子级别的电子过程转换为次级辐射，并再次发出。初级和次级辐射因此具有至少部分彼此不同的波长范围，其中次级辐射根据一个实施方式具有更长的波长范围。尤其是，电磁辐射的纯散射或纯吸收在当前情况下不用术语“波长转换”表示。
因此——根据应用——这种发光材料可以优选地用于产生冷白光、暖白光、黄光或绿黄光，例如在显示器应用和车辆前照灯中。与传统使用的发黄光的、具有超过100nm的非常高的光谱半峰宽的石榴石发光材料如例如Y3Al5O12:Ce3+相比，本发光材料的光收益或视觉有效作用由于其窄带发射，即具有低的光谱半峰宽的发射而提高。
根据一个实施方式，发光材料包括结晶的、例如陶瓷的主晶格，外来元素作为活化剂元素被引入到所述主晶格中。例如，发光材料是陶瓷材料。
活化剂元素将主晶格的电子结构改变为，使得初级辐射可以被发光材料吸收。初级辐射可以在发光材料中激发电子跃迁，所述电子跃迁通过发出次级辐射可以再次转入基态。因此，被引入主晶格中的活化剂元素负责发光材料的波长转换特性。
结晶的主晶格尤其由通常周期性重复的三维晶胞构成。换言之，晶胞是结晶的主晶格中的最小的重复单元。元素EA、A、D、O和N在其中分别占据主晶格的三维晶胞的固定位置，即所谓的点位置。此外，活化剂元素RE和二价元素EA占据等价的点位置。换言之，EA或RE处于由晶胞的元素EA的点位置所描述的位置。
为了描述结晶的主晶格的三维晶胞需要六个晶格参数，三个长度a、b和c以及三个角度α、β和γ。三个晶格参数a、b和c是展开晶胞的晶格矢量的长度。其他三个晶格参数α、β和γ是这些晶格矢量之间的角度。α是b和c之间的角度，β是a和c之间的角度，γ是a和b之间的角度。
根据至少一个实施方式，晶格参数a处于500pm到530pm的范围内，其中包含边界值，晶格参数b处于1450pm到1500pm的范围内，其中包含边界值，并且晶格参数c处于520pm至560pm的范围内，其中包含边界值。根据至少一个另外的实施方式，角度α和γ大约为90°并且角度β处于109.0°到115.0°的范围内，其中包含边界值。
根据至少一个实施方式，发光材料的主晶格具有单斜空间群的结构。根据至少一个实施方式，发光材料在单斜空间群Cm中结晶。尤其，单斜空间群Cm中的晶格参数a约等于516.11(8)pm，b约等于1479.7(2)pm，c约等于541.21(9)pm，并且角度α和γ等于90°，并且角度β约等于111.706(9)°。
根据至少一个实施方式，发光材料吸收蓝色的波长范围内的初级辐射，特别是从400nm到520nm，其中包含边界值，优选从405nm到480nm，其中包含边界值。根据另一实施方式，发光材料将初级辐射，特别是蓝色的波长范围内的初级辐射转换为黄色的或黄绿色的波长范围内的次级辐射，所述次级辐射特别是具有500nm至600nm的发射最大值，其中包含边界值，和500nm到670nm的发射能量的积分位置，其中包含边界值。
根据至少一个实施方式，发光材料具有主晶格，所述主晶格包括D中心的D(O,N)4四面体、A中心的A(O,N)4四面体、A(O,N)3+1单元和A(O,N)3单元。
D(O,N)4四面体、A(O,N)4四面体、A(O,N)3+1单元和A(O,N)3单元与发光材料的组成相关地分别由O原子和/或N原子展开。因此，D(O,N)4四面体、A(O,N)4四面体、A(O,N)3+1单元和A(O,N)3单元可以由三个或四个O原子或者三个或四个N原子或者总共三个或四个O和N原子构成的混合物展开。
D(O,N)4四面体和/或A(O,N)4四面体可以具有四面体间隙。四面体间隙是在相应的四面体内部的区域。例如，术语“四面体间隙”表示当接触的球置于四面体的角时，在四面体内部的保持未占据的区域。
D(O,N)4四面体和/或A(O,N)4四面体的氧原子和/或氮原子展开四面体，其中D原子或A原子位于展开的四面体的四面体间隙中。换言之，四面体以D原子或A原子为中心。D原子或A原子被四个氧原子和/或氮原子以四面体形式包围。尤其，展开四面体的所有原子与处于四面体间隙中的D原子或A原子具有相似的间距。
A(O,N)3单元是未在上部截断(nichtüberkappt)的三角棱锥，即近似平面的单元，在其中心存在被总共三个O原子和/或N原子三角地或三角形地包围的A原子。在此，三角形地包围A原子的所有原子与A原子具有相似的间距。
相反地，A(O,N)3+1单元是三角棱锥，其中A原子不在中心，而是近似位于侧面，即三角形平面包围的A原子被另一个O原子或N原子在上部截断。为简化起见，A中心的A(O,N)4四面体和在上部截断的A(O,N)3+1单元都可以称为A(O,N)4四面体。
每两个A(O,N)3单元构成菱形，所述菱形由O原子和/或N原子构成的两个三角形展开。这些三角形是对称等价的。A原子可以位于第一个或第二个三角形中。如果A原子位于一个三角形中，那么另一个三角形不再能够被A原子占据。因此，这两个对称等价的三角形对于A原子具有两个对称等价位置，其中只有一个被占据。由A原子占据对称等价位置是相互排他的。
根据至少一个实施方式，主晶格包括由角联接的D(O,N)4四面体构成的层，并且角联接的D(O,N)4四面体在层内形成八环结构。尤其，D(O,N)4四面体经由氧原子或氮原子彼此联接。换言之，将D(O,N)4四面体彼此联接的氧原子或氮原子是两个D(O,N)4四面体的一部分。一个D(O,N)4四面体在一个层内与至少两个其他D(O,N)4四面体分别经由一个角联接。与至少两个其他D(O,N)4四面体分别经由一个角联接的八个D(O,N)4四面体在一层内构成环状结构。尤其，由角联接的D(O,N)4四面体构成的每个层包括至少一个八环结构。优选地，由角联接的D(O,N)4四面体构成的每个层包括多个彼此连接的八环结构。
根据至少一个实施方式，由角联接的D(O,N)4四面体构成的层经由A(O,N)4四面体和/或A(O,N)3+1单元和/或A(O,N)3单元联接。A(O,N)4四面体和/或A(O,N)3+1单元和/或A(O,N)3单元因此可以将由角联接的D(O,N)4四面体构成的一层内的D(O,N)4四面体或由角联接的D(O,N)4四面体构成的不同层中的D(O,N)4四面体彼此连接。在此，D(O,N)4四面体与A(O,N)4四面体和/或A(O,N)3+1单元和/或A(O,N)3单元角联接。尤其，A(O,N)4四面体和/或A(O,N)3+1单元和/或A(O,N)3单元可以与出自由角联接的D(O,N)4四面体构成的一层或相邻的两层中的至少两个D(O,N)4四面体联接。在本文中，相邻的层表示在其下方和/或其上方设置的、尤其是邻接的层。
根据至少一个实施方式，A(O,N)3+1单元和/或A(O,N)3单元将由角联接的D(O,N)4四面体构成的两个相邻层中的D(O,N)4四面体联接。
根据至少一个实施方式，A(O,N)4四面体将由角联接的D(O,N)4四面体构成的一层内的D(O,N)4四面体联接。尤其，D(O,N)4四面体仅能在自己的层内经由A(O,N)4四面体联接，而不能与相邻层联接。
根据至少一个实施方式，将由角联接的D(O,N)4四面体构成的层联接的A(O,N)4四面体和/或A(O,N)3+1单元和/或A(O,N)3单元构成中间空间，其中至少在中间空间中存在EA原子。尤其，中间空间是空腔，所述空腔至少部分地由A(O,N)4四面体和/或A(O,N)3+1单元和/或A(O,N)3单元包围。附加地，中间空间至少部分地由D(O,N)4四面体包围。尤其，中间空间设置在由角联接的D(O,N)4四面体构成的层之间。尤其，EA原子可以在其点位置上由RE原子替换。
根据至少一个实施方式，EA选自Mg、Ca、Sr、Ba或其组合。根据至少一个实施方式，EA包括Sr或由Sr组成。
根据至少一个实施方式，A选自Li、Mg、Al或其组合。根据至少一个实施方式，A包括Li或由Li组成。
根据至少一个实施方式，D选自Si、Al、Zr、Hf、Ge、Ga或其组合。根据至少一个实施方式，D包括Si或由Si组成。
根据至少一个实施方式，RE选自稀土族。尤其地，RE选自Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Yb、Tm。根据至少一个实施方式，RE包含Eu或Ce或由Eu或Ce组成。
根据至少一个实施方式，活化剂元素占EA的分子份额在0.001和0.1之间。换言之，EA的在0.1％到10％之间、其中包含边界值的点位置被RE占据。尤其，RE占EA的分子份额在0.005和0.05之间，其中包含边界值。与稀土的重量份额直至70％的石榴石发光材料相比，本发光材料中的稀土份额明显更低，由此原材料相对便宜。因此，通式EA2A4D3OxN8-x:RE也可以表达为：(EA1-tREt)2A4D3OxN8-x，其中t处于0.001和0.1之间，其中包含边界值。
根据至少一个实施方式，发光材料具有式Sr2Li4Si3O4N4:RE。这种发光材料也被称为网状硅酸盐(Tektolithosilikat)或骨架硅酸盐(Gerüstlithosilikat)。根据一个实施方式，RE是Eu2+。
根据至少一个实施方式，发光材料以颗粒形式存在，尤其具有在1μm和100μm之间的粒度，其中包含边界值。
此外提出一种用于制造发光材料的方法。优选地，借助在此所描述的方法产生根据上述实施方式的发光材料。尤其，针对发光材料所做的所有阐述也适用于所述方法并且反之亦然。
根据用于制造发光材料的方法的一个实施方式，所述发光材料具有通式EA2A4D3OxN8-x:RE，其中
-EA选自二价元素的组；
-A选自一价、二价或三价元素的组；
-D选自三价或四价元素的组；
-RE是活化剂元素，
-0≤x≤8，并且
ε(4+4y+3z)＝3(8-x)+2x，其中元素A的电荷数为y，元素D的电荷数为z并且ε＝0.9-1.1，
所述方法包括如下步骤：
-提供反应物的化学计量组成，
-将所述反应物加热至700℃和1100℃之间的温度，包含边界值。
用于制造常规的发光材料，如例如石榴石的温度通常明显高于1400℃。在本制造方法中，温度与之相比明显降低，这引起简化的制造以及改善的能量效率。
根据至少一个实施方式，反应物选自包括分别EA、A、D和RE的氧化物、氮化物、碳酸盐、草酸盐、酰亚胺和酰胺及其组合的组。
根据至少一个实施方式，反应物选自包括EA3N2、EAO、A3N、A2O、A3N2、AO、A2O3、AN、D2O3、DN、D3N4、DO2、RE2O3及其组合的组。替选地或附加地，氧化物和/或氮化物可以从原位形成反应物的有机前体化合物中获得。例如，氧化物可以经由草酸盐的脱羧或从碳酸盐获得。例如，氮化物可以从酰亚胺或酰胺中获得。
根据至少一个实施方式，在方法的第一步骤中将反应物均匀化。将形成的由反应物构成的混合物置于敞开的坩埚中，例如镍坩埚中。在惰性气体气氛下，特别是氮气气氛下，在炉中、特别是在气体压力烧结炉中加热由反应物构成的混合物，以确保还原条件。例如，在100bar的氮气气氛下，将由反应物构成的混合物在约900℃的温度加热约16小时。
根据方法的至少一个实施方式，提供反应物Li3N、Li2O、Si3N4、SiO2、Sr3N2、SrO和Eu2O3的化学计量组成。尤其，这些反应物的化学计量组成适用于制造式为Sr2Li4Si3O4N4:Eu2 +的发光材料。
此外，提出一种包含发光材料的发射辐射的器件。优选地，根据上述实施方式的发光材料适用于并且设为用于这里描述的发射辐射的器件。仅结合发光材料和/或方法列出的特征和实施方式也适用于发射辐射的器件并且反之亦然。
发射辐射的器件是在运行中发射电磁辐射的器件。例如，发射辐射的器件是发光二极管(LED)。
根据至少一个实施方式，发射辐射的器件包括半导体芯片，所述半导体芯片在运行中发出第一波长范围的电磁辐射。半导体芯片可以包括有源层序列，所述有源层序列包含有源区域，所述有源区域可以在器件运行中产生第一波长范围的电磁辐射、初级辐射。半导体芯片例如是发光二极管芯片或激光二极管芯片。在半导体芯片中产生的初级辐射可以通过半导体芯片的辐射出射面发射。初级辐射可以形成光路或遵循光路。
初级辐射尤其可以包括在可见范围内的波长。例如，半导体芯片发射蓝色的光谱范围内的初级辐射，尤其在从400nm至500nm，其中包含边界值，优选从405nm至480nm，其中包含边界值的波长范围内。
根据至少一个实施方式，发射辐射的器件包括转换元件，所述转换元件具有通式为EA2A4D3OxN8-x:RE的发光材料，所述发光材料将第一波长范围的电磁辐射转换为第二波长范围的电磁辐射，其中
-EA选自二价元素的组；
-A选自一价、二价或三价元素的组；
-D选自三价或四价元素的组；
-RE是活化剂元素，
-0≤x≤8，并且
-ε(4+4y+3z)＝3(8-x)+2x，其中元素A的电荷数为y，元素D的电荷数为z并且ε＝0.9-1.1。
发光材料的特性已经关于发光材料公开，并且同样适用于发射辐射的器件中的发光材料。发光材料将初级辐射完全地或至少部分地转换成第二波长范围的电磁辐射，即次级辐射。尤其，次级辐射具有与初级辐射至少部分不同的波长范围。
转换元件尤其在初级辐射的光路中设置成，使得初级辐射的至少一部分射到转换元件上。
根据至少一个实施方式，转换元件直接接触地施加在半导体芯片的辐射出射面上。
根据至少一个实施方式，转换元件借助于粘合层施加在辐射出射面上。
根据至少一个实施方式，半导体芯片和转换元件设置在壳体的凹部中。根据另一实施方式，所述半导体芯片和转换元件也至少部分地被灌封部包围。
根据至少一个实施方式，半导体芯片和转换元件设置在壳体的凹部中，其中壳体的凹部填充有至少部分地包围半导体芯片的灌封部，并且转换元件设置在灌封部的背离半导体芯片的侧上。
根据至少一个实施方式，半导体芯片设置在壳体的凹部中，其中壳体的凹部填充有至少部分地包围半导体芯片的灌封部，并且转换元件在壳体的凹部之外设置在灌封部的背离半导体芯片的侧上。可选地，颗粒，如例如发光材料或散射颗粒可以嵌入灌封部之内。
根据至少一个实施方式，壳体的凹部在半导体芯片和转换元件之间也可以没有灌封部或另外的层或部件。
根据至少一个实施方式，灌封部对于电磁辐射、尤其是初级辐射具有至少85％、尤其是至少95％的穿透率。
根据至少一个实施方式，灌封部包括玻璃，例如硅酸盐、水玻璃或石英玻璃，或聚合物，例如聚苯乙烯、聚硅氧烷、聚硅氮烷、PMMA、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚四氟乙烯、聚乙烯、硅树脂、硅酮或环氧树脂或其组合。
这种发射辐射的器件在用蓝色的初级辐射激发后可以产生在黄色波长范围内的尤其窄带的辐射进而优选用于在显示器应用和车辆前照灯中产生冷白色的、暖白色的或——在全转换中——黄色的或绿黄色的光。
根据至少一个实施方式，转换元件将初级辐射部分地转换为次级辐射，其中初级辐射的未经转换的部分通过转换元件透射。换言之，进行初级辐射到次级辐射的部分转换。发射辐射的器件在此情况下发出混合光，所述混合光由初级辐射和次级辐射组成。例如，发射辐射的器件发射冷白光，所述冷白光由在蓝色光谱范围内的初级辐射和在黄色光谱范围内的次级辐射组成。尤其，可以产生具有小的显色指数Ra(英语Color Rendering Index，CRI)的白光。
根据至少一个实施方式，没有初级辐射通过转换元件透射。在该上下文中，“没有”意味着，透射的初级辐射少至，使得所述初级辐射不再可感觉地影响由器件发射的光。例如，至多10％，尤其至多5％，和优选至多1％的初级辐射通过转换元件透射。发射辐射的器件那么仅发射次级辐射。换言之，初级辐射完全转换为次级辐射。因此，转换元件将初级辐射向外完全转换为次级辐射。例如，发射辐射的器件发射没有蓝色分量的黄光。在此，与市售的黄色发光材料相比，本发光材料由于其窄带发射而具有明显优越的视觉有效作用。
根据发射辐射的器件的至少一个实施方式，发光材料的发射最大值在500nm和600nm之间，其中包含边界值。发射最大值是发光材料的发射曲线达到其最大值的波长λmax。尤其，发光材料在用蓝色光谱范围内的初级辐射激发后的发射最大值在500nm和600nm之间，其中包含边界值。因此，发光材料在用蓝色光谱范围内的初级辐射激发后的发射最大值处于黄色光谱范围内。发射最大值优选在约554nm的波长λmax处。
根据发射辐射的器件的至少一个实施方式，发光材料的主波长(λD)处于550nm和580nm之间，其中包含边界值。主波长是产生与多色光混合相似的色调感觉的单色光的波长。通常，主波长偏离发射最大值。尤其，发光材料的主波长在用蓝色光谱范围内的初级辐射激发后处于550nm和580nm之间，其中包含边界值。优选地，发光材料的主波长在约566nm处。
根据发射辐射的器件的至少一个实施方式，发光材料的发射的光谱半峰宽在60nm和100nm之间，其中包含边界值。尤其，发光材料在用蓝色光谱范围中的初级辐射激发后的发射的光谱半峰宽处于60nm和100nm之间，其中包含边界值。优选地，发光材料的发射的光谱半峰宽在约85nm处。因此，发射的光谱半峰宽比市售的黄色比较发光材料、例如Y3Al5O12:Ce3+的典型地在110nm和125nm之间的光谱半峰宽明显更窄。
根据至少一个实施方式，转换元件不具有另外的发光材料。“不具有另外的发光材料”表示，仅是具有通式EA2A4D3OxN8-x:RE的发光材料包含在用于波长转换的发射辐射的器件的转换元件中并且引起发射辐射的器件内的波长转换。
根据至少一个实施方式，转换元件包括第二发光材料，所述第二发光材料将第一波长范围的电磁辐射转换成第三波长范围的电磁辐射。尤其，第二发光材料是将初级辐射转换成红色的次级辐射的发红光的发光材料，或者是将初级辐射转换成绿色的次级辐射的发绿光的发光材料。尤其，第二发光材料吸收和转换蓝色初级辐射，尤其波长范围从400nm到500nm，其中包含边界值，优选从405nm到480nm，其中包含边界值。
通过使用与通式为EA2A4D3OxN8-x:RE的发光材料组合的第二发光材料，可以设定发射辐射的器件的色度坐标，例如用于按需选色应用或用于产生用于人本照明的生物有效照明。
尤其，氮化物发光材料可以用作为发红光的发光材料，例如Sr2Si5N8、Ba2Si5N8、CaAlSiN3、(Ca,Sr)AlSiN3或Sr(Ca,Sr)Si2Al2N6。
当在发射辐射的器件中与通式为EA2A4D3OxN8-x:RE的发光材料组合地使用发红光的第二发光材料时，可以产生具有在暖白色范围内的色度坐标的混合光。尤其，具有在暖白色范围内的色度坐标的混合光由半导体芯片的蓝色初级辐射、这里描述的发光材料的黄色次级辐射和发红光的第二发光材料的红色次级辐射的组合产生。因此，可以产生具有高的显色指数Ra的暖白色的混合光。
例如，β-赛隆、EA2SiO4(EA＝Sr、Ba)、Lu3(Al,Ga)5O12、氯硅酸盐如EA9(SiO4)4Cl12(EA＝Ca、Mg、Sr、Ba)或222-SiONe，如SrSi2O2N2可以用作为发绿光的发光材料。
当在发射辐射的器件中与通式为EA2A4D3OxN8-x:RE的发光材料组合地使用发绿光的第二发光材料时，可以产生具有在冷白色范围内的色度坐标的混合光。尤其，具有在冷白色范围内的色度坐标的混合光由半导体芯片的蓝色初级辐射、这里描述的发光材料的黄色次级辐射和发绿光的第二发光材料的绿色次级辐射的组合产生。因此，可以产生具有低显色指数Ra的冷白色混合光。
根据至少一个实施方式，发光材料在转换元件中作为陶瓷或在基质材料中存在。作为陶瓷存在的发光材料尤其尽可能不具有基质材料和/或另外的发光材料。由发光材料形成的陶瓷优选具有低的孔隙率。因此，可以防止或几乎防止不希望的光散射并且良好地进行散热。
替选地，发光材料，尤其呈颗粒形式的发光材料嵌入基质材料中。基质材料例如包括上述用于灌封部的材料。尤其，发光材料的表面可以被钝化以嵌入基质材料中。多于一种发光材料可以嵌入基质材料中。例如，两种发光材料的颗粒嵌入基质材料中。
发光材料的、用于制造发光材料的方法的和发射辐射的器件的其他有利的实施方式、设计方案和改进方案从以下结合附图示出的实施例中得出。
附图说明
图1A-D和2A-D从根据一个实施例的发光材料的主晶格的不同的视角示出局部；
图3和4分别示出根据实施例的发射辐射的器件；
图5示出根据一个实施例的发光材料的发射谱；以及
图6示出根据实施例和比较例的发光材料的发射谱。
相同的、相同类型的或起相同作用的元件在附图中设有相同的附图标记。附图和在附图中示出的元件彼此间的大小关系不视为是符合比例的。更确切地说，为了更好的可示出性和/或为了更好的理解可以夸大地示出个别元件，尤其层厚度，。
具体实施方式
发光材料1的实施例Sr2Li4Si3O4N4:Eu2+如下合成：提供反应物Li3N、Li2O、Si3N4、SiO2、Sr3N2、SrO和Eu2O3的化学计量组成并且在900℃在100bar氮气气氛下在镍坩埚中加热16小时。
位于下方的表1示出发光材料1的实施例Sr2Li4Si3O4N4:Eu2+的结晶学数据。在单斜空间群中，角α和γ等于90°，并且β不等于90°，并且晶格参数a、b和c不同。由于铕的原子份额低，在结构细化中没有考虑铕和锶的混合占据。
在表1中经由所属的密勒指数(hkl)的极限来说明倒易空间的测量出的局部。此外，说明所有反射Rall的常规R值，所述R值表示在观察到的和计算出的结构因子之间的平均百分比偏差。加权的R值wRref包含加权因子，所述加权因子根据限定的样式对反射进行加权，尤其与所述反射的标准偏差相关地。对于一个好的结构模型，Rall应低于5％，并且wRref应低于10％。作为对于计算出的和测量出的结构的一致性的其他质量特征说明应接近1的品质因子(拟合度，goodness of fit，GoF)。
可靠性因子和品质因子对于发光材料1的实施例Sr2Li4Si3O4N4:Eu2+处于期望范围内。
表1：
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位于下方的表2示出对于发光材料1的实施例Sr2Li4Si3O4N4:Eu2+的原子的Wyckoff位置、原子位置x、y和z、占据和各向同性偏转参数Uiso。
Wyckoff位置描述根据R.W.G.Wyckoff的点位置的对称性。Uiso是相应的原子的各向同性偏转参数的半径。位置Li03仅被占据一半。因此，所述位置表征对于Li原子的三角平面包围的对称等价位置，这些位置相互排他地被占据。
表2：
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图1A-D示出具有式Sr2Li4Si3O4N4:Eu2+的发光材料1的实施例的主晶格在bc平面中(侧视图)的局部，并且图2A-D示出同一主晶格在正交于bc平面的ab平面中(俯视图)的局部。在图1A-C和2A-C中为了结构的更好的可示出性和更好的理解未示出选择的原子和键。
图1A示出三个上下相叠设置的、由角联接的示意示出的Si(O,N)4四面体2构成的层。发光材料Sr2Li4Si3O4N4:Eu2+的主晶格的所有其他原子未示出。在一层内的Si(O,N)4四面体2经由氧原子或氮原子彼此联接。不同的层中的Si(O,N)4四面体2不直接彼此联接。
图2A示出图1A的结构的俯视图。出于概览性原因，示出仅一个由角联接的Si(O,N)4四面体2构成的层。每个Si(O,N)4四面体2在一层内与至少两个另外的Si(O,N)4四面体2经由各一个角联接。各八个Si(O,N)4四面体2构成环形结构。由角联接的Si(O,N)4四面体2构成的层包含至少一个八环结构。尤其，由角联接的Si(O,N)4四面体2构成的层包括多个彼此连接的八环结构。
图1B示出图1A中的侧视图，其中附加地示出Li(O,N)4四面体4和Li(O,N)3+1单元3。Si(O,N)4四面体2和Li(O,N)4四面体4或Li(O,N)3+1单元3在此角联接。Li(O,N)4四面体4或Li(O,N)3+1单元3将由角联接的Si(O,N)4四面体2构成的层彼此连接。Li(O,N)4四面体4或Li(O,N)3+1单元3可以与出自一个或两个相邻的由角联接的Si(O,N)4四面体2构成的层中的至少两个Si(O,N)4四面体2联接。尤其地，Li(O,N)3+1单元3将出自两个相邻的由角联接的Si(O,N)4四面体2构成的层中的Si(O,N)4四面体2联接，并且Li(O,N)4四面体4将在由角联接的Si(O,N)4四面体2构成的层内的Si(O,N)4四面体2联接。尤其，Si(O,N)4四面体2仅在自己的层内经由Li(O,N)4四面体4联接，然而不与相邻的层联接。
图2B示出图1B的结构的俯视图。出于概览性原因，示出由角联接的Si(O,N)4四面体2构成的仅一个层和仅在该层下方和层内联接的Li(O,N)4四面体4和Li(O,N)3+1单元3。
图1C示出图1B中的侧视图，其中附加地示出对于Li(O,N)3单元的Li原子的两个对称等价位置。图2C示出图1C的结构的俯视图。对称等价位置5由Li原子的占据是相互排他的。由此，两个对称等价位置5中的始终仅一个对称等价位置由Li原子占据。Li(O,N)3单元3设置在由角联接的D(O,N)4四面体2构成的层之间并且将两个相邻的层彼此联接。
图1D示出图1C中的侧视图，其中附加地示出Sr原子6。图2D示出图1D的结构的俯视图。Sr原子6设置在Li(O,N)4四面体4和/或Li(O,N)3+1单元3和/或Li(O,N)3单元3之间的中间空间中，其将由角联接的Si(O,N)4四面体2构成的层联接。Sr原子6尤其设置在由角联接的Si(O,N)4四面体2构成的层之间。Sr原子6的一部分可以由Eu2+离子替代。尤其，Eu2+占Sr的分子份额处于0.001和0.1之间，其中包含边界值。
发光材料1的其他实施例在表3中列出。
表3：发光材料的实施例
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发光材料1的其他实施例是在表3中列举的结束阶段之间的混晶排。选择的实例在表4中示出。
表4：发光材料1的实施例
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图3示出根据一个实施例的发射辐射的器件10的示意剖面图，所述器件具有半导体芯片11，所述半导体芯片在发射辐射的器件的运行中发射初级辐射。半导体芯片11包括有源层序列和有源区域(在此未详尽地示出)，所述有源区域用于产生初级辐射。初级辐射是第一波长范围的电磁辐射。优选地，初级辐射是具有在可见范围内，例如在蓝色范围内的波长的电磁辐射。初级辐射通过辐射出射面12发射。在此，产生光路或初级辐射遵循光路。
在由半导体芯片11发射的初级辐射的光路中设置有转换元件13。转换元件13设立为用于，吸收初级辐射并且将其至少部分地转换为具有第二波长范围的次级辐射。尤其，初级辐射具有比被吸收的初级辐射更长的波长。
转换元件13具有通式为EA2A4D3OxN8-x:RE的发光材料1。尤其，转换元件13可以具有式为Sr2Li4Si3O4N4:Eu2+的发光材料1。发光材料1可以嵌入基质材料中。基质材料例如是硅酮、聚硅氧烷、环氧树脂或玻璃。替选地，转换元件13可以不具有基质材料。在此情况下，转换元件13可以由发光材料1，例如由发光材料1的陶瓷组成。
尤其，转换元件13不具有其他发光材料。如果转换元件13将初级辐射的仅一部分转换并且将初级辐射的其余部分透射，那么通过将透射的蓝色初级辐射和经转换的黄色次级辐射组合可以产生具有低的显色指数Ra的冷白色的混合光。替选地，转换元件13不透射初级辐射，而是将初级辐射近似完全地转换为次级辐射。由此，转换元件13发射在黄色的或黄绿色的光谱范围中的次级辐射，而不具有蓝色分量。
替选地，转换元件13具有第二发光材料，所述第二发光材料将初级辐射例如转换为红色的次级辐射。通过将蓝色的初级辐射、黄色的次级辐射和红色的次级辐射组合可以产生暖白色的混合光。
在图3中示出的实施例中，半导体芯片11和转换元件13嵌入壳体14的凹部15中。为了更好地稳定和保护半导体芯片11和转换元件13，壳体14的凹部15可以用灌封部16填充。尤其，凹部15完全地用灌封部16填充并且半导体芯片11和转换元件13完全地由灌封部16包封。
转换元件13可以如在图3中所示出的那样直接机械接触地设置在半导体芯片11上。尤其，辐射出射面12在此形成在转换元件13和半导体芯片11之间的共同的面。替选地，其他层、如例如粘结层可以处于半导体芯片11和转换元件13之间。
根据在图4中示出的实施例，转换元件13与半导体芯片11间隔开地设置。在此情况下，灌封部16可以设置在半导体芯片11和转换元件13之间。替选地，凹部15可以在半导体芯片和转换元件之间也不具有灌封部或其他层或构件。
在图5中示出在用波长为448nm的蓝色的初级辐射激发后的发光材料1的实施例Sr2Li4Si3O4N4:Eu2+的发射谱。相对于以nm为单位的波长绘制以百分比为单位的相对强度I。发射谱示出在黄色波长范围内的窄带发射，其中主波长λD为566nm并且发射最大值为554nm。发射的光谱半峰宽为85nm。
在图6中示出根据该实施例的式为Sr2Li4Si3O4N4:Eu2+的实施例(6-1)和比较例(6-2)、Y3Al5O12:Ce3+类型的市售石榴石发光材料的发光材料1的发射谱。相对于以nm为单位的波长λ绘制以百分比为单位的相对强度I。Y3Al5O12:Ce3+类型的石榴石发光材料在黄色的光谱范围内发射并且具有在主波长λD处测量的相对色彩印象。在位于下方的表3中，发光材料1和比较例的光学特性对比示出。
表3：
在类似的主波长λD的情况下，85nm的发光材料Sr2Li4Si3O4N4:Eu2+具有比116nm的比较例Y3Al5O12:Ce3+明显更小的光谱半峰宽。所述较小的光谱半峰宽造成明显提高的光收益，如在表3中根据相对光收益所示出。对于发光材料Sr2Li4Si3O4N4:Eu2+提高了大约14％的相对光收益对于转换应用是直接有利的。在用作为单独发光材料的情况下，所述提高的光收益对应于在使用发光材料Sr2Li4Si3O4N4:Eu2+来替代Y3Al5O12:Ce3+类型的常规的石榴石发光材料时的转换解决方案的效率增益。当在具有多种发光材料的转换解决方案中使用发光材料Sr2Li4Si3O4N4:Eu2+时，例如在发白光的发光二极管中，也可以实现效率增益。
结合附图描述的特征和实施例可以根据另外的实施例彼此组合，即使并非所有组合都详尽地描述。此外，结合附图描述的实施例可以替代地或附加地具有根据概述部分中的描述的其他特征。
本发明不通过根据实施例的描述而局限于此。更确切地说，本发明包括任意新特征以及特征的任意组合，这尤其包含实施例中的特征的任意组合，即使所述特征或所述组合本身并未详尽地在实施例中给出时也如此。
本申请要求德国专利申请DE 10 2019 122 063.7的优先权，其公开内容通过引用并入本文。
附图标记列表
1 发光材料
2 Si(O,N)4四面体
3 Li(O,N)3+1单元
4 Li(O,N)4四面体
5 对称等价位置
6 Sr原子
10 发射辐射的器件
11 半导体芯片
12 辐射出射面
13 转换元件
14 壳体
15 凹部
16 灌封部
Claims (15)
1.一种发光材料(1)，所述发光材料具有通式EA2A4D3OxN8-x:RE，其中
-EA选自Mg、Ca、Sr、Ba或其组合；
-A选自选自Li、Mg、Al或其组合；
-D选自Si、Al、Zr、Hf、Ge、Ga或其组合；
-RE包括Eu或Ce，
-0≤x≤8，并且
-ε(4+4y+3z)＝3(8-x)+2x，其中元素A的电荷数为y，元素D的电荷数为z和ε＝0.9-1.1。
2.根据权利要求1所述的发光材料(1)，
其中所述发光材料(1)的主晶格具有带有单斜空间群的结构。
3.根据权利要求1或2所述的发光材料(1)，
其中所述发光材料(1)具有主晶格，所述主晶格包括D中心的D(O,N)4四面体、A中心的A(O,N)4四面体、A(O,N)3+1单元和A(O,N)3单元。
4.根据权利要求3所述的发光材料(1)，
其中所述主晶格包括由角联接的D(O,N)4四面体构成的层，并且角联接的D(O,N)4四面体在该层内构成八环结构。
5.根据权利要求4所述的发光材料(1)，
其中由角联接的D(O,N)4四面体构成的层经由A(O,N)4四面体和/或A(O,N)3+1单元和/或A(O,N)3单元联接。
6.根据权利要求5所述的发光材料(1)，
其中将由角联接的D(O,N)4四面体构成的层联接的A(O,N)4四面体和/或A(O,N)3+1单元和/或A(O,N)3单元构成中间空间，其中至少在中间空间中存在EA原子。
7.根据权利要求1或2所述的发光材料(1)，
其中所述活化剂元素占EA的分子份额处于0.001和0.1之间，其中包含边界值。
8.根据权利要求1或2所述的发光材料(1)，
其中所述发光材料具有式Sr2Li4Si3O4N4:RE。
9.一种用于制造发光材料(1)的方法，所述发光材料具有通式EA2A4D3OxN8-x:RE，其中
-EA选自Mg、Ca、Sr、Ba或其组合；
-A选自Li、Mg、Al或其组合；
-D选自Si、Al、Zr、Hf、Ge、Ga或其组合；
-RE包括Eu或Ce，
-0≤x≤8，并且
-ε(4+4y+3z)＝3(8-x)+2x，其中元素A的电荷数为y，元素D的电荷数为z并且ε＝0.9-1.1，
所述方法包括如下步骤：
-提供反应物的化学计量组成，
-将所述反应物加热至在700℃和1100℃之间的温度，其中包含边界值。
10.一种发射辐射的器件(10)，具有：
-半导体芯片(11)，所述半导体芯片在运行中发出第一波长范围的电磁辐射；
-转换元件(13)，所述转换元件具有发光材料(1)，所述发光材料具有通式EA2A4D3OxN8-x:RE，所述发光材料将所述第一波长范围的电磁辐射转换为第二波长范围的电磁辐射，其中
-EA选自Mg、Ca、Sr、Ba或其组合；
-A选自Li、Mg、Al或其组合；
-D选自Si、Al、Zr、Hf、Ge、Ga或其组合；
-RE包括Eu或Ce，
-0≤x≤8，并且
-ε(4+4y+3z)＝3(8-x)+2x，其中元素A的电荷数为y，元素D的电荷数为z并且ε＝0.9-1.1。
11.根据权利要求10所述的发射辐射的器件(10)，
其中所述发光材料(1)的发射最大值在500纳米和600纳米之间，其中包含边界值。
12.根据权利要求10或11所述的发射辐射的器件(10)，
其中所述发光材料(1)的主波长(λD)处于550纳米和580纳米之间，其中包含边界值。
13.根据权利要求10或11所述的发射辐射的器件(10)，
其中所述发光材料(1)的发射的光谱半峰宽处于60纳米和100纳米之间，其中包含边界值。
14.根据权利要求10或11所述的发射辐射的器件(10)，
其中所述转换元件(13)不具有另外的发光材料。
15.根据权利要求10或11所述的发射辐射的器件(10)，
其中所述转换元件(13)包括第二发光材料，所述第二发光材料将所述第一波长范围的电磁辐射转换为第三波长范围的电磁辐射。
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