DE102021123852A1

DE102021123852A1 - Leuchtstoff, verfahren zur herstellung eines leuchtstoffs und strahlungsemittierendes bauelement

Info

Publication number: DE102021123852A1
Application number: DE102021123852.8A
Authority: DE
Inventors: Daniel Bichler; Gina Maya Achrainer; Johanna Strube-Knyrim; Frauke Philipp; Mark Vorsthove; Simon Dallmeir; Christian Koch; Gudrun Plundrich
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2021-09-15
Filing date: 2021-09-15
Publication date: 2023-03-16

Abstract

Es wird ein Leuchtstoff (1) mit der allgemeinen Formel EA3Li4D2-xExN6-xOx:RE angegeben, wobei- EA ein Element oder eine Kombination von Elementen ausgewählt aus der Gruppe der zweiwertigen Elemente ist,- D ein Element oder eine Kombination von Elementen ausgewählt aus der Gruppe der vierwertigen Elemente ist,- E ein Element oder eine Kombination von Elementen ausgewählt aus der Gruppe der dreiwertigen Elemente ist,- RE ein Aktivator-Element oder eine Kombination von Aktivator-Elementen ist, und- 0 ≤ x ≤ 2.Darüber hinaus werden ein Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs (1) und ein strahlungsemittierendes Bauelement (10) angegeben.

Description

Es werden ein Leuchtstoff und ein Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs angegeben. Darüber hinaus wird ein strahlungsemittierendes Bauelement angegeben.
Es ist unter anderem eine Aufgabe, einen Leuchtstoff mit einer erhöhten Effizienz bereitzustellen. Weitere Aufgaben sind ein Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs mit einer erhöhten Effizienz sowie ein strahlungsemittierendes Bauelement mit einer erhöhten Effizienz bereitzustellen.
Es wird ein Leuchtstoff angegeben. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die allgemeine Formel EA₃Li₄D_2-xE_xN_6-xO_x:RE auf, wobei

- EA ein Element oder eine Kombination von Elementen ausgewählt aus der Gruppe der zweiwertigen Elemente ist,
- D ein Element oder eine Kombination von Elementen ausgewählt aus der Gruppe der vierwertigen Elemente ist,
- E ein Element oder eine Kombination von Elementen ausgewählt aus der Gruppe der dreiwertigen Elemente ist,
- RE ein Aktivator-Element oder eine Kombination von Aktivator-Elementen ist, und
- 0 ≤ x ≤ 2.

Hier und im Folgenden werden Leuchtstoffe anhand von Summenformeln beschrieben. Die in den Summenformeln aufgeführten Elemente liegen dabei in geladener Form vor. Hier und im Folgenden sind mit Elementen und/oder Atomen in Bezug auf die Summenformeln der Leuchtstoffe somit Ionen in Form von Kationen und Anionen gemeint, auch wenn dies nicht explizit angegeben ist. Dies gilt auch für Elementsymbole, wenn diese der Übersichtlichkeit halber ohne Ladungszahl angegeben werden.
Es ist bei den angegebenen Summenformeln möglich, dass der Leuchtstoff weitere Elemente beispielsweise in Form von Verunreinigungen aufweist. Zusammengenommen weisen diese Verunreinigungen höchstens 5 Mol-%, insbesondere höchstens 1 Mol-%, bevorzugt höchstens 0,1 Mol-% auf. Gemäß der hier beschriebenen Summenformel weist der Leuchtstoff lediglich Stickstoff oder Stickstoff und Sauerstoff als Anionen auf. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass weitere, insbesondere anionische Elemente in Form von Verunreinigungen vorhanden sind.
Der vorliegende Leuchtstoff kann nach außen hin ungeladen vorliegen. Das bedeutet, dass im Leuchtstoff nach außen hin ein vollständiger Ladungsausgleich zwischen positiven und negativen Ladungen bestehen kann. Es ist hingegen auch möglich, dass der Leuchtstoff formell in geringem Maße keinen vollständigen Ladungsausgleich besitzt.
Mit dem Begriff „Wertigkeit“ in Bezug auf ein bestimmtes Element ist vorliegend gemeint, wie viele Elemente mit einfacher entgegengesetzter Ladung in einer chemischen Verbindung benötigt werden, um einen Ladungsausgleich zu erzielen. Somit umfasst der Begriff „Wertigkeit“ die Ladungszahl des Elements.
Elemente mit der Wertigkeit zwei werden als zweiwertige Elemente bezeichnet. Zweiwertige Elemente sind häufig in chemischen Verbindungen zweifach positiv geladen und besitzen eine Ladungszahl von +2. Ein Ladungsausgleich in einer chemischen Verbindung kann beispielsweise über zwei weitere Elemente, die einfach negativ geladen sind, oder ein weiteres Element, das zweifach negativ geladen ist, stattfinden. Zweiwertige Elemente sind vorliegend in der Regel ausgewählt aus der Gruppe gebildet durch die Erdalkalielemente sowie Zink.
Dreiwertige Elemente sind Elemente mit der Wertigkeit drei. Dreiwertige Elemente sind häufig in chemischen Verbindungen dreifach positiv geladen und besitzen eine Ladungszahl von +3. Ein Ladungsausgleich in einer chemischen Verbindung kann beispielsweise über ein Element, das dreifach negativ geladen ist, oder durch drei Elemente, die einfach negativ geladen sind, stattfinden. Dreiwertige Elemente sind vorliegend in der Regel ausgewählt aus der Gruppe gebildet durch Bor, Aluminium, Gallium, Indium, Scandium, Yttrium sowie den seltenen Erden.
Vierwertige Elemente sind Elemente mit der Wertigkeit vier. Vierwertige Elemente sind häufig in chemischen Verbindungen vierfach positiv geladen und besitzen eine Ladungszahl von +4. Ein Ladungsausgleich in einer chemischen Verbindung kann beispielsweise über ein Element, das vierfach negativ geladen ist, durch zwei Elemente, die zweifach negativ geladen sind, oder vier Elemente, die einfach negativ geladen sind, stattfinden. Vierwertige Elemente sind vorliegend in der Regel ausgewählt aus der Gruppe gebildet durch Silizium, Germanium, Zinn, Titan, Zirkonium sowie Hafnium.
Der vorliegende Leuchtstoff weist Stickstoff oder Sauerstoff und Stickstoff als Anionen auf. Stickstoff oder Sauerstoff und Stickstoff dienen dabei als Anionen zum Ladungsausgleich der Kationen. Der Leuchtstoff weist gemäß seiner Summenformel insgesamt sechs Anionen auf. Ein Teil der Stickstoffanionen kann im Kristallgitter des Leuchtstoffs durch Sauerstoffanionen ersetzt sein. Die Zahl der Sauerstoffanionen x kann ausgewählt sein aus 0 ≤ x ≤ 2. Mit anderen Worten kann die Zahl der Sauerstoffanionen x größer oder gleich null und kleiner oder gleich zwei sein. Die Zahl der Stickstoffanionen ergibt sich aus 6-x. Ein Ladungsausgleich im Leuchtstoff ergibt sich dadurch, dass im gleichen Maße ein vierwertiges Element D durch ein dreiwertiges Element E ersetzt werden kann, wie Stickstoffanionen durch Sauerstoffanionen ersetzt werden.
Ein solcher Leuchtstoff kann elektromagnetische Strahlung einer bestimmten Wellenlänge oder eines bestimmten Wellenlängenbereichs, im Folgenden als Primärstrahlung bezeichnet, in elektromagnetische Strahlung einer zweiten Wellenlänge oder eines zweiten Wellenlängenbereichs, im Folgenden als Sekundärstrahlung bezeichnet, konvertieren. Die Umwandlung von Primärstrahlung in Sekundärstrahlung wird auch als Wellenlängenkonversion bezeichnet. Insbesondere wird bei der Wellenlängenkonversion Primärstrahlung durch ein wellenlängenkonvertierendes Element absorbiert, durch elektronische Vorgänge auf atomarer und/oder molekularer Ebene in Sekundärstrahlung umgewandelt und wieder ausgesendet. Primär- und Sekundärstrahlung weisen somit zumindest teilweise voneinander verschiedene Wellenlängenbereiche auf, wobei die Sekundärstrahlung gemäß einer Ausführungsform einen langwelligeren Wellenlängenbereich aufweist. Insbesondere ist reine Streuung oder reine Absorption von elektromagnetischer Strahlung vorliegend nicht mit dem Begriff „Wellenlängenkonversion“ gemeint.
In der Regel umfasst der Leuchtstoff ein Wirtsgitter. Das Wirtsgitter des Leuchtstoffs ist insbesondere kristallin, beispielsweise keramisch. Aktivator-Elemente sind Fremdelemente, die in das Wirtsgitter des Leuchtstoffs eingebracht werden. Das Wirtsgitter verändert die elektronische Struktur des Aktivator-Elements insofern, dass die Primärstrahlung, die von dem Leuchtstoff absorbiert wird, einen elektronischen Übergang in dem Aktivator-Element anregt, das unter Aussenden von elektromagnetischer Strahlung mit einem Emissionsspektrum, der Sekundärstrahlung, wieder in den Grundzustand übergeht. Das Aktivator-Element, das in das Wirtsgitter eingebracht ist, ist somit für die wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften des Leuchtstoffs verantwortlich. Insbesondere weist der Leuchtstoff einen Absorptionsbereich auf, in dem der Leuchtstoff Primärstrahlung absorbiert.
Aktivator-Elemente sind vorliegend in der Regel ausgewählt aus der Gruppe gebildet durch die Seltenerdelemente.
Ein solcher Leuchtstoff kann - je nach Anwendung - alleine oder zusammen mit weiteren Leuchtstoffen in LEDs zur Erzeugung von weißem, rotem, oder tiefrotem Licht sowie von Strahlung im ultravioletten, nahinfraroten und infraroten Spektralbereich eingesetzt werden, beispielsweise für Horticulture-Anwendungen oder Nahinfrarot-Anwendungen (NIR-Anwendungen).
Beispielsweise eignet sich der Leuchtstoff für Horticulture-Anwendungen. In Horticulture-Anwendungen kann eine Lichtemission im Bereich von 610 nm bis 700 nm hilfreich für den Fototropismus der Pflanze sein. Ebenso kann in diesen Anwendungen eine Lichtemission im Bereich von 700 nm bis 740 nm die Fotomorphogenese unterstützen. Vorteilhafterweise deckt der hier beschriebene Leuchtstoff beide genannten Bereiche ab. Zudem ist die Emission des Leuchtstoffs im nahinfraroten Spektralbereich geeignet, um Strahlung im „nahinfraroten Fenster“ („near-infrared window“) für biologisches Gewebe beispielsweise für spektroskopische Untersuchungen zur Verfügung zu stellen. Das „nahinfrarote Fenster“ für biologisches Gewebe liegt im Wellenlängenbereich von ungefähr 650 nm bis 1350 nm und bezeichnet den Wellenlängenbereich, in dem sich Licht maximal weit durch biologisches Gewebe ausbreiten kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist EA ein Element oder eine Kombination von Elementen ausgewählt aus einer Gruppe, die aus Mg, Ca, Sr und Ba gebildet ist. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst EA Sr oder besteht daraus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist D ein Element oder eine Kombination von Elementen ausgewählt aus einer Gruppe, die aus Si und Ge gebildet ist. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst D Si oder besteht daraus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist E ein Element oder eine Kombination von Elementen ausgewählt aus einer Gruppe, die aus Al, B und Ga gebildet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist RE ein Element oder eine Kombination von Elementen ausgewählt aus einer Gruppe, die aus der Gruppe der seltenen Erden gebildet ist. Insbesondere ist RE ein Element oder eine Kombination von Elementen ausgewählt aus einer Gruppe, die aus Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Yb und Tm gebildet ist. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst RE Eu, Ce oder Kombinationen daraus. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst RE Eu oder besteht aus Eu.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist RE einen molaren Anteil zwischen einschließlich 0,0001 und einschließlich 0,1 bezogen auf das Element EA auf. Mit anderen Worten sind zwischen einschließlich 0,01 % und 10 % der Punktlagen von EA mit RE besetzt. Die allgemeine Formel EA₃Li₄D_2-xE_xN_6-xO_x:RE kann demnach auch folgendermaßen ausgedrückt werden: (EA_1-tRE_t) ₃Li₄D_2-xE_xN_6-xO_x, wobei t zwischen einschließlich 0,0001 und einschließlich 0,1 liegt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Leuchtstoff ein kristallines, beispielsweise keramisches, Wirtsgitter, in das Fremdelemente als Aktivator-Elemente eingebracht sind. Bei dem Leuchtstoff handelt es sich beispielsweise um ein keramisches Material.
Das kristalline Wirtsgitter ist insbesondere aus einer sich in der Regel periodisch wiederholenden dreidimensionalen Elementarzelle aufgebaut. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Elementarzelle um die kleinste wiederkehrende Einheit des kristallinen Wirtsgitters. Die Elemente EA, Li, D, E, O und N besetzen darin jeweils festgelegte Plätze, sogenannte Punktlagen, der dreidimensionalen Elementarzelle des Wirtsgitters. Weiterhin besetzen das Aktivator-Element RE und das zweiwertige Element EA äquivalente Punktlagen. Mit anderen Worten befindet sich entweder EA oder RE auf dem Platz, der durch die Punktlage des Elements EA einer Elementarzelle beschrieben wird.
Zur Beschreibung der dreidimensionalen Elementarzelle des kristallinen Wirtsgitters werden sechs Gitterparameter benötigt, drei Längen a, b und c und drei Winkel α, β und γ. Die drei Gitterparameter a, b und c sind die Längen der Gittervektoren, die die Elementarzelle aufspannen. Die weiteren drei Gitterparameter α, β und γ sind die Winkel zwischen diesen Gittervektoren, α ist der Winkel zwischen b und c, β ist der Winkel zwischen a und c und γ ist der Winkel zwischen a und b.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt der Gitterparameter a im Bereich von einschließlich 590 pm bis einschließlich 630 pm, der Gitterparameter b im Bereich von einschließlich 945 pm bis einschließlich 985 pm und der Gitterparameter c im Bereich von einschließlich 600 pm bis einschließlich 640 pm. Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform betragen die Winkel α und γ 90°, insbesondere genau 90°, und der Winkel β liegt in einem Bereich von einschließlich 80° bis einschließlich 100°.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff eine Wirtsstruktur auf, die in einer monoklinen Raumgruppe kristallisiert. Gemäß zumindest einer Ausführungsform kristallisiert der Leuchtstoff in der monoklinen Raumgruppe C2/m. Insbesondere liegen die Gitterparameter für den Leuchtstoff in der monoklinen Raumgruppe C2/m bei a ungefähr gleich 611,95(24) pm, b ungefähr gleich 966,86(38) pm, c ungefähr gleich 621,15(24) pm und die Winkel α und γ gleich 90° und der Winkel β ungefähr gleich 90,0931(213)°.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff ein Wirtsgitter auf, das D-zentrierte DN₂(O,N)₂-Tetraeder und Li-zentrierte Li(O,N)₄-Tetraeder umfasst.
Die DN₂(O,N)₂-Tetraeder und die Li(O,N)₄-Tetraeder werden in Abhängigkeit der Zusammensetzung des Leuchtstoffs jeweils von O-Atomen und/oder N-Atomen aufgespannt. Die DN₂(O,N)₂-Tetraeder können von zwei O-Atomen und zwei N-Atomen oder von einem O-Atom und drei N-Atomen oder von vier N-Atomen aufgespannt werden. Die Li(O,N)₄-Tetraeder können von vier O-Atomen oder von drei O-Atomen und einem N-Atom oder von zwei O-Atomen und zwei N-Atomen oder von einem O-Atom und drei N-Atomen oder von vier N-Atomen aufgespannt werden.
Die DN₂(O,N)₂-Tetraeder und/oder die Li(O,N)₄-Tetraeder können eine Tetraederlücke aufweisen. Die Tetraederlücke ist ein Bereich im Innern des jeweiligen Tetraeders. Beispielsweise wird mit dem Begriff „Tetraederlücke“ der Bereich im Innern des Tetraeders bezeichnet, der frei bleibt, wenn in die Ecken des Tetraeders sich berührende Kugeln gesetzt werden.
Die Sauerstoffatome und/oder die Stickstoffatome der DN₂(O,N)₂-Tetraeder und/oder der Li(O,N)₄-Tetraeder spannen den Tetraeder auf, wobei sich in der Tetraederlücke des aufgespannten Tetraeders das D-Atom oder das Li-Atom befindet. In anderen Worten sind die Tetraeder um das D-Atom oder das Li-Atom zentriert. Das D-Atom ist tetraederförmig von zwei O-Atomen und zwei N-Atomen oder von einem O-Atom und drei N-Atomen oder von vier N-Atomen umgeben. Das Li-Atom ist tetraederförmig von vier O-Atomen oder von drei O-Atomen und einem N-Atom oder von zwei O-Atomen und zwei N-Atomen oder von einem O-Atom und drei N-Atomen oder von vier N-Atomen umgeben. Insbesondere haben alle Atome, die den Tetraeder aufspannen, einen ähnlichen Abstand zu dem D-Atom oder dem Li-Atom, das sich in der Tetraederlücke befindet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind jeweils zwei der DN₂(O,N)₂-Tetraeder miteinander kantenverknüpft. Mit anderen Worten sind jeweils zwei DN₂(O,N)₂-Tetraeder über eine gemeinsame Tetraederkante miteinander verknüpft. Mit anderen Worten sind die beiden Sauerstoff- und/oder Stickstoffatome, die die gemeinsame Tetraederkante ausbilden, Teil von beiden DN₂(O,N)₂-Tetraeder. Insbesondere sind jeweils zwei DN₂(O,N)₂-Tetraeder über eine gemeinsame Tetraederkante, die aus zwei N-Atomen gebildet wird, miteinander verknüpft. Die zwei miteinander kantenverknüpften DN₂(O,N)₂-Tetraeder sind insbesondere nicht mit einem oder mehreren weiteren DN₂(O,N)₂-Tetraedern verknüpft. Insbesondere wird eine solche Tetraederlage der DN₂(O,N)₂-Tetraeder, beispielsweise von SiN₄-Tetraedern, in nitridischen Leuchtstoffen selten beobachtet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die zwei miteinander kantenverknüpften DN₂(O,N)₂-Tetraeder jeweils mit einem oder mehreren Li(O,N)₄-Tetraedern eckenverknüpft und/oder kantenverknüpft. Mit anderen Worten weist zumindest eins der beiden miteinander kantenverknüpften DN₂(O,N)₂-Tetraeder zumindest eine gemeinsame Ecke und/oder Kante mit zumindest einem Li(O,N)₄-Tetraeder auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Wirtsgitter des Leuchtstoffs zwei Punktlagen für die EA-Atome auf, die voneinander verschieden sind. Mit anderen Worten besitzt das Wirtsgitter zwei elektronisch verschieden umgebene kristallographische Lagen für die EA-Atome.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff einen Absorptionsbereich zumindest teilweise im ultravioletten bis roten Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums, insbesondere zwischen einschließlich 250 nm und einschließlich 600 nm, bevorzugt zwischen einschließlich 400 nm und einschließlich 600 nm, auf. Beispielsweise absorbiert der Leuchtstoff elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von ungefähr 405 nm oder von ungefähr 448 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sendet der Leuchtstoff elektromagnetische Strahlung aus. Insbesondere sendet der Leuchtstoff nach Anregung mit elektromagnetischer Strahlung elektromagnetische Strahlung aus. Mit anderen Worten sendet der Leuchtstoff nach Anregung mit einer Primärstrahlung eine Sekundärstrahlung aus. Bei der Primärstrahlung handelt es sich beispielsweise um elektromagnetische Strahlung, deren Wellenlängenbereich im Absorptionsbereich des Leuchtstoffs liegt. Die Sekundärstrahlung weist insbesondere einen Wellenlängenbereich auf, der vom Wellenlängenbereich der Primärstrahlung zumindest teilweise verschieden ist. Die ausgesandte elektromagnetische Strahlung, die Sekundärstrahlung, lässt sich in Form eines Emissionsspektrums beschreiben.
Bei dem Emissionsspektrum handelt es sich um eine Intensitätsverteilung der vom Leuchtstoff emittierten elektromagnetischen Strahlung nach Anregung mit elektromagnetischer Strahlung der Anregungswellenlänge. Üblicherweise wird das Emissionsspektrum in Form eines Diagramms dargestellt, bei dem eine spektrale Intensität oder ein spektraler Strahlungsfluss pro Wellenlängenintervall („spektrale Intensität/spektraler Strahlungsfluss“) der von dem Leuchtstoff ausgesandten elektromagnetischen Strahlung in Abhängigkeit der Wellenlänge λ dargestellt ist. Mit anderen Worten stellt das Emissionsspektrum eine Kurve dar, bei der auf der x-Achse die Wellenlänge und auf der y-Achse die spektrale Intensität oder der spektrale Strahlungsfluss aufgetragen ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist eine von dem Leuchtstoff, insbesondere nach Anregung mit elektromagnetischer Strahlung, ausgesandte elektromagnetische Strahlung eine Dominanzwellenlänge (λ_dom) zwischen einschließlich 615 nm und einschließlich 640 nm, insbesondere zwischen einschließlich 623 nm und einschließlich 633 nm, beispielsweise bei 628 nm, auf. Zur Bestimmung der Dominanzwellenlänge der von dem Leuchtstoff ausgesandten elektromagnetischen Strahlung wird in dem CIE-Normdiagramm ausgehend vom Weißpunkt durch den Farbort der elektromagnetischen Strahlung eine gerade Linie gezogen. Der Schnittpunkt der geraden Linie mit der das CIE-Normdiagramm begrenzenden Spektralfarblinie bezeichnet die Dominanzwellenlänge der elektromagnetischen Strahlung. Mit anderen Worten ist die Dominanzwellenlänge die monochromatische Wellenlänge, die denselben Farbeindruck erzeugt wie eine polychromatische Lichtquelle. Die Dominanzwellenlänge ist also die Wellenlänge, die vom menschlichen Auge wahrgenommen wird. Im Allgemeinen weicht die Dominanzwellenlänge von der Wellenlänge des Emissionsmaximums ab. Der Leuchtstoff kann somit effizient nach Anregung tiefrote elektromagnetische Strahlung emittieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist eine von dem Leuchtstoff, insbesondere nach Anregung mit elektromagnetischer Strahlung, ausgesandte elektromagnetische Strahlung eine Schwerpunktwellenlänge (λ_centroid) zwischen einschließlich 750 nm und einschließlich 790 nm, insbesondere zwischen einschließlich 761 nm und einschließlich 781 nm, beispielsweise bei 771 nm, auf. Die Schwerpunktwellenlänge bezeichnet einen Schwerpunkt einer spektralen Verteilung eines Emissionsspektrums. Mit anderen Worten gibt die Schwerpunktwellenlänge an, wo sich der Mittelpunkt des Emissionsspektrums befindet. Die Schwerpunktwellenlänge wird berechnet als gewichtetes arithmetisches Mittel der Wellenlängen λ, gewichtet mit ihren Amplituden anhand der Verteilungsfunktion s(λ): $λ_{c e n t r o i d} = \frac{\int_{- \infty}^{\infty} λ \cdot s (λ) d λ}{\int_{- \infty}^{\infty} s (λ) d λ} .$
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist eine von dem Leuchtstoff, insbesondere nach Anregung mit elektromagnetischer Strahlung, ausgesandte elektromagnetische Strahlung ein Emissionsmaximum zumindest eines Emissionspeaks zwischen einschließlich 640 nm und einschließlich 870 nm auf. Das Emissionsmaximum ist die Wellenlänge λ_max, bei der die Emissionskurve des Leuchtstoffs ihren maximalen Wert erreicht. Mit anderen Worten kann der Leuchtstoff Strahlung im roten, tiefroten und nahinfraroten Wellenlängenbereich zur Verfügung stellen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die von dem Leuchtstoff, insbesondere nach Anregung mit elektromagnetischer Strahlung, ausgesandte elektromagnetische Strahlung zumindest zwei Emissionspeaks mit jeweils einem Emissionsmaximum zwischen einschließlich 640 nm und einschließlich 870 nm auf. Die zumindest zwei Emissionspeaks weisen insbesondere eine unterschiedliche spektrale Lage im Emissionsspektrum auf. Die zumindest zwei Emissionspeaks können dabei eine gleiche oder eine unterschiedliche spektrale Intensität aufweisen. Insbesondere kann der Leuchtstoff den Wellenlängenbereich von einschließlich 640 nm bis einschließlich 870 nm zumindest teilweise, insbesondere vollständig, abdecken. Auf diese Weise kann der Leuchtstoff effizient Strahlung im roten, tiefroten und nahinfraroten Wellenlängenbereich zur Verfügung stellen und damit zu effizienten und günstigen Lösungen für die Anwendung beitragen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die von dem Leuchtstoff, insbesondere nach Anregung mit elektromagnetischer Strahlung, ausgesandte elektromagnetische Strahlung zwei Emissionspeaks auf, wobei der erste Emissionspeak ein Emissionsmaximum zwischen einschließlich 640 nm und 730 nm, insbesondere zwischen einschließlich 660 nm und einschließlich 705 nm, beispielsweise von 684 nm, und der zweite Emissionspeak ein Emissionsmaximum zwischen einschließlich 730 nm und einschließlich 820 nm, insbesondere zwischen einschließlich 750 nm und einschließlich 800 nm, beispielsweise von 776 nm, aufweist. Die zwei Emissionsmaxima können durch die zwei vorhandenen Punktlagen für die EA-Atome begründet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist eine von dem Leuchtstoff, insbesondere nach Anregung mit elektromagnetischer Strahlung, ausgesandte elektromagnetische Strahlung eine spektrale Halbwertsbreite zwischen einschließlich 200 nm und einschließlich 250 nm, insbesondere zwischen einschließlich 215 nm und einschließlich 240 nm, beispielsweise von 227 nm, auf. Eine solche breitbandige Emission ist weniger temperaturabhängig und weit weniger empfindlich auf eine Veränderung der Peaklage der Primärstrahlung als die Emission von roten Halbleiter-LEDs, die zum Beispiel üblicherweise für Horticulture-Anwendungen verwendet werden. Bei roten Halbleiter-LEDs weist die Emission üblicherweise nur eine schmale Halbwertsbreite auf und die Lage des Emissionsmaximums ist in der Regel temperaturabhängig, üblicherweise mit Abweichung um ± 5 nm, was sich negativ auf die Effizienz und Performance auswirkt. Somit kann der Leuchtstoff aufgrund seiner breitbandigen Emission vorteilhaft für Horticulture-Anwendungen verwendet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die Formel Sr₃Li₄Si_2-xAl_xN_6-xO_x: RE mit 0 ≤ x ≤ 2 auf. Mit anderen Worten ist EA Sr, D Si und E Al. Gemäß einer Ausführungsform ist dabei RE Eu²⁺. Eine Veränderung in der Zusammensetzung gemäß dieser Ausführungsform kann zu einer Veränderung der genauen Emissionslage führen. Mit anderen Worten kann die Emission des Leuchtstoffs für die jeweilige Anwendung maßgeschneidert werden. Eine solche anpassbare Emission ist vorteilhaft für spezifische Anwendungen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die Formel Sr₃Li₄Si₂N₆:RE auf. Mit anderen Worten ist EA Sr, D Si und x=0. Gemäß einer Ausführungsform ist dabei RE Eu²⁺. Der Leuchtstoff der Formel Sr₃Li₄Si₂N₆:RE ist vorteilhafterweise für die Konversion von blauer Primärstrahlung in Strahlung im roten bis tiefroten Wellenlängenbereich geeignet. Insbesondere konvertiert der Leuchtstoff der Formel Sr₃Li₄Si₂N₆:RE blaue Primärstrahlung besonders effizient in breitbandige rote, tiefrote und nahinfrarote Strahlung. Mit anderen Worten stellt der Leuchtstoff der Formel Sr₃Li₄Si₂N₆:RE breitbandig viel Strahlung zwischen einschließlich 640 nm und einschließlich 870 nm zur Verfügung. Dadurch kann der Leuchtstoff der Formel Sr₃Li₄Si₂N₆:RE für Anwendungen eingesetzt werden, die eine breitbandige Emission in diesem Spektralbereich benötigen.
Beispielsweise deckt die Emission des Leuchtstoffs der Formel Sr₃Li₄Si₂N₆:RE die in Horticulture-Anwendungen benötigten Strahlungsbereiche von 610 nm bis 700 nm und 700 nm bis 740 nm ab, die hilfreich für den Fototropismus der Pflanze sind und die Fotomorphogenese unterstützen. Zudem eignet sich die breitbandige Emission des Leuchtstoffs der Formel Sr₃Li₄Si₂N₆:RE für spektroskopische Untersuchungen in biologischen Proben, für die eine breitbandige Strahlung im Wellenlängenbereich von 650 nm bis 1350 nm benötigt wird.
Es wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs angegeben. Vorzugsweise wird mit dem hier beschriebenen Verfahren der Leuchtstoff gemäß den oben genannten Ausführungsformen erzeugt. Es gelten insbesondere alle für den Leuchtstoff gemachten Ausführungen auch für das Verfahren und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Leuchtstoffs mit der allgemeinen Formel EA₃Li₄D_2-xE_xN_6-xO_x:RE, wobei

- EA ein Element oder eine Kombination von Elementen ausgewählt aus der Gruppe der zweiwertigen Elemente ist,
- D ein Element oder eine Kombination von Elementen ausgewählt aus der Gruppe der vierwertigen Elemente ist,
- E ein Element oder eine Kombination von Elementen ausgewählt aus der Gruppe der dreiwertigen Elemente ist,
- RE ein Aktivator-Element oder eine Kombination von Aktivator-Elementen ist, und
- 0 ≤ x ≤ 2,

- Bereitstellen von Edukten,
- Vermengen der Edukte zu einem Eduktgemenge, und
- Erhitzen des Eduktgemenges.

Bevorzugt erfolgen die Verfahrensschritte in der angegebenen Reihenfolge.
Insbesondere erfolgt das Vermengen der Edukte zu einem Eduktgemenge in einem Handmörser, einer Mörsermühle, einer Kugelmühle, einem Mehrachsmischer oder Ähnlichem. Das Eduktgemenge kann anschließend in einen Tiegel, beispielsweise aus Korund, Nickel oder Wolfram, überführt werden. Insbesondere werden Tiegel verwendet, die offen zu der sie umgebenden Atmosphäre sind. Insbesondere werden keine Ampullen verwendet, sodass die Reaktion nicht in einer Lithiumschmelze durchgeführt wird. Mit anderen Worten wird gemäß zumindest einer Ausführungsform kein Überschuss an einem lithiumhaltigen Edukt verwendet.
Insbesondere ist es möglich, dass durch das Verfahren ein Gemisch hergestellt wird, das den Leuchtstoff umfasst oder daraus besteht. Weitere Bestandteile des Gemischs können beispielsweise Edukte sein, die bei der Herstellung des Leuchtstoffs nicht reagiert haben, Verunreinigungen und/oder Nebenphasen, die bei der Herstellung gebildet wurden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens sind die Edukte ausgewählt aus einer Gruppe, die die Oxide, Nitride, Fluoride, Oxalate, Citrate, Carbonate, Amine und Imide von EA, Li, D, E und RE umfasst. Bevorzugt sind die Edukte ausgewählt aus einer Gruppe, die die Oxide und Nitride von EA, Li, D, E und RE umfasst. Beispielsweise werden Eu₂O₃, SrO, Sr₃N₂, SiO₂, Si₃N₄, Li₂O und Li₃N als Edukte eingesetzt.
Insbesondere eignen sich diese Edukte zur Herstellung eines Leuchtstoffs der Formel Sr₃Li₄Si₂N₆:Eu²⁺.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Eduktgemenge auf eine Temperatur zwischen einschließlich 600 °C und einschließlich 1400 °C, beispielsweise von 900 °C erhitzt. Insbesondere wird das Eduktgemenge auf eine Temperatur erhitzt, bei der unter den herrschenden Druckverhältnissen das lithiumhaltige Edukt in flux gehalten wird. Beim Flux füllt das flüssige lithiumhaltige Edukt insbesondere die Kontaktflächen zwischen den Körnern aus und ermöglicht eine bessere Diffusion, wobei gleichzeitig durch die herrschenden Druckverhältnisse verhindert wird, dass das lithiumhaltige Edukt in die Gasphase übergeht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Eduktgemenge bei einem Druck von mehr als 1 bar, insbesondere bei einem Druck von mehr als 50 bar, beispielsweise bei einem Druck von 100 bar, erhitzt. Es ist zu beachten, dass der Druck für die Reaktion des Eduktgemenges zu dem Leuchtstoff nach oben lediglich apparativ beschränkt ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Eduktgemenge unter einer N₂-Atmosphäre oder einer Formiergasatmosphäre erhitzt. Eine Formiergasatmosphäre ist insbesondere eine N₂/H₂-Atmosphäre, beispielsweise mit einem Verhältnis von 95/5 (N₂/H₂). Durch ein Erhitzen des Eduktgemenges unter einer N₂-Atmosphäre oder einer Formiergasatmosphäre erfolgt die Synthese des Leuchtstoffs unter reduzierenden Bedingungen. Dadurch wird eine Reduktion der Edukte ermöglicht, beispielsweise eine Reduktion von RE³⁺ zu RE²⁺.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Eduktgemenge für zumindest 1 Stunde, insbesondere für zumindest 10 Stunden, beispielsweise für 16 Stunden, erhitzt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Eduktgemenge für höchstens 120 Stunden erhitzt. Es ist jedoch zu beachten, dass sich der entstehende Leuchtstoff in einer thermodynamischen Senke befinden kann, sodass auch bei einem Erhitzen von mehr als 120 Stunden der Leuchtstoff gebildet wird. Mit anderen Worten verläuft die Reaktion des Eduktgemenges zu dem Leuchtstoff bevorzugt in Richtung des Leuchtstoffs, der nach der Bildung in einer stabilen Phase vorliegt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der Leuchtstoff nach erfolgter Reaktion und Abkühlung vermahlen. Das Vermahlen kann in einem Handmörser, einer Mörsermühle, einer Kugelmühle, oder Ähnlichem erfolgen.
Es wird weiterhin ein strahlungsemittierendes Bauelement enthaltend einen Leuchtstoff angegeben. Vorzugsweise ist der oben beschriebene Leuchtstoff zur Verwendung in dem hier beschriebenen strahlungsemittierenden Bauelement geeignet und vorgesehen. Merkmale und Ausführungsformen, die in Verbindung mit dem Leuchtstoff und/oder dem Verfahren beschrieben sind, gelten auch für das strahlungsemittierende Bauelement und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des strahlungsemittierenden Bauelements umfasst das strahlungsemittierende Bauelement einen Halbleiterchip, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs aussendet, und ein Konversionselement mit dem zuvor beschriebenen Leuchtstoff. Der Leuchtstoff wandelt elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs um, der von dem ersten Wellenlängenbereich zumindest teilweise verschieden ist. Bei dem strahlungsemittierenden Bauelement handelt es sich beispielsweise um eine Leuchtdiode (LED).
Es ist möglich, dass das Konversionselement neben dem zuvor beschriebenen Leuchtstoff einen oder mehrere weitere Leuchtstoffe aufweist.
Insbesondere umfasst der Halbleiterchip eine aktive Schichtenfolge, die einen aktiven Bereich enthält. Der aktive Bereich erzeugt im Betrieb des strahlungsemittierenden Bauelements die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs, die Primärstrahlung. Beispielsweise handelt es sich bei dem Halbleiterchip um einen Leuchtdiodenchip oder ein Laserdiodenchip. Die Primärstrahlung wird gemäß einer Ausführungsform durch eine Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips emittiert.
Die Eigenschaften des Leuchtstoffs sind in Bezug auf den Leuchtstoff bereits offenbart und gelten ebenso für den Leuchtstoff im strahlungsemittierenden Bauelement. Der Leuchtstoff konvertiert die Primärstrahlung vollständig oder zumindest teilweise in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs, die Sekundärstrahlung. Insbesondere weist die Sekundärstrahlung von der Primärstrahlung zumindest teilweise verschiedene Wellenlängenbereiche auf.
Das Konversionselement ist insbesondere im Strahlengang der Primärstrahlung so angeordnet, dass zumindest ein Teil der Primärstrahlung auf das Konversionselement trifft.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform emittiert der Halbleiterchip im Betrieb Primärstrahlung mit einer Wellenlänge oder einem Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 250 nm und einschließlich 600 nm, insbesondere zwischen einschließlich 400 nm und einschließlich 600 nm. Mit anderen Worten emittiert der Halbleiterchip elektromagnetische Strahlung im ultravioletten bis roten Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums. Beispielsweise emittiert der Halbleiterchip Primärstrahlung von 405 nm oder 448 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform emittiert der Leuchtstoff im roten Spektralbereich, insbesondere nach Anregung mit der Primärstrahlung des Halbleiterchips, bevorzugt nach Anregung mit einer Wellenlänge oder einem Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 250 nm und einschließlich 600 nm, insbesondere zwischen einschließlich 400 nm und einschließlich 600 nm. Mit anderen Worten weist die Sekundärstrahlung Wellenlängen im roten Spektralbereich auf. Insbesondere emittiert der Leuchtstoff Strahlung zwischen einschließlich 640 nm und einschließlich 870 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Konversionselement zumindest einen weiteren Leuchtstoff, der elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines dritten Wellenlängenbereichs konvertiert, der zumindest teilweise von dem ersten und zweiten Wellenlängenbereich verschieden ist. Mit anderen Worten konvertiert der weitere Leuchtstoff die Primärstrahlung in eine weitere Sekundärstrahlung, die sich zumindest teilweise von der Sekundärstrahlung des Leuchtstoffs unterscheidet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der dritte Wellenlängenbereich Wellenlängen im grünen, gelben und/oder orangefarbenen Spektralbereich. Mit anderen Worten umfasst der dritte Wellenlängenbereich Wellenlängen, die kurzwelliger sind als die Wellenlängen des zweiten Wellenlängenbereichs. Beispielsweise umfasst der weitere Leuchtstoff dazu Granate wie YAG, LuAG und/oder LuAGaG. Durch Verwendung eines weiteren Leuchtstoffs, der im grünen, gelben und/oder orangefarbenen Spektralbereich emittiert, in Kombination mit einem Leuchtstoff der allgemeinen Formel EA₃Li₄D_2-xE_xN_6-xO_x:RE kann das strahlungsemittierende Bauelement weißes Mischlicht emittieren. Das weiße Mischlicht kann sich dabei insbesondere aus der elektromagnetischen Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs, der elektromagnetischen Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs und der elektromagnetischen Strahlung des dritten Wellenlängenbereichs zusammensetzen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der dritte Wellenlängenbereich Wellenlängen über 1000 nm. Mit anderen Worten umfasst der dritte Wellenlängenbereich Wellenlängen, die langwelliger sind als die Wellenlängen des zweiten Wellenlängenbereichs. Dadurch deckt die von dem strahlungsemittierenden Bauelement emittierte Strahlung zumindest teilweise den roten, den tiefroten und den nahinfraroten Spektralbereich ab. Durch Verwendung eines weiteren Leuchtstoffs, der Wellenlängen über 1000 nm emittiert, in Kombination mit einem Leuchtstoff der allgemeinen Formel EA₃Li₄D_2-xE_xN_6-xO_x:RE kann ein strahlungsemittierendes Bauelement bereitgestellt werden, das vorteilhafterweise für spektroskopische Untersuchungen in biologischen Proben verwendet werden kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konversionselement frei von einem weiteren Leuchtstoff. „Frei von einem weiteren Leuchtstoff“ bedeutet, dass lediglich der Leuchtstoff mit der allgemeinen Formel EA₃Li₄D_2-xE_xN_6-xO_x:RE in dem Konversionselement des strahlungsemittierenden Bauelements zur Wellenlängenkonversion enthalten ist und zu einer Wellenlängenkonversion innerhalb des strahlungsemittierenden Bauelements führt. Ein Bauelement, das lediglich den Leuchtstoff mit der allgemeinen Formel EA₃Li₄D_2-xE_xN_6-xO_x:RE in dem Konversionselement aufweist, kann beispielsweise breitbandig rote bis tiefrote Strahlung emittieren. Somit kann das strahlungsemittierende Bauelement auch ohne Kombination mit anderen Leuchtstoffen für Anwendungen eingesetzt werden, die eine breitbandige Emission in diesen Spektralbereich benötigen, beispielsweise Horticulture-Anwendungen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform konvertiert das Konversionselement die Primärstrahlung teilweise in Sekundärstrahlung, wobei der nicht konvertierte Teil der Primärstrahlung durch das Konversionselement transmittiert wird. In anderen Worten findet eine Teilkonversion der Primärstrahlung in Sekundärstrahlung statt. Das strahlungsemittierende Bauelement sendet in diesem Fall ein Mischlicht aus, das sich aus der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung zusammensetzt. Beispielsweise emittiert das strahlungsemittierende Bauelement weißes Licht, das sich aus Primärstrahlung im blauen Spektralbereich und Sekundärstrahlung im roten Spektralbereich zusammensetzt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wandelt das Konversionselement die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs vollständig in elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs um. Mit anderen Worten wird keine Primärstrahlung durch das Konversionselement transmittiert. „Keine“ meint in diesem Zusammenhang, dass so wenig Primärstrahlung transmittiert wird, dass sie nicht mehr wahrnehmbar das von dem Bauelement emittierte Licht beeinflusst. Beispielsweise wird höchstens 10 %, insbesondere höchstens 5 % und bevorzugt höchstens 1 % der Primärstrahlung durch das Konversionselement transmittiert. Das strahlungsemittierende Bauelement emittiert dann lediglich die Sekundärstrahlung. In anderen Worten findet eine Vollkonversion der Primärstrahlung in Sekundärstrahlung statt. Somit konvertiert das Konversionselement die Primärstrahlung nach außen hin vollständig in Sekundärstrahlung. Beispielsweise emittiert das strahlungsemittierende Bauelement rotes bis tiefrotes Licht ohne Blauanteil.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen, Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Leuchtstoffs, des Verfahrens zur Herstellung eines Leuchtstoffs und des strahlungsemittierenden Bauelements ergeben sich aus den folgenden, in Verbindung mit den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen.

1 zeigt eine schematische Darstellung des Leuchtstoffs gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 zeigt ein Emissionsspektrum des Leuchtstoffs gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
3 zeigt ein strahlungsemittierendes Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente, insbesondere Schichtdicken, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Der Leuchtstoff 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 weist die allgemeine Summenformel EA₃Li₄D_2-xE_xN_6-xO_x:RE auf, wobei EA ein zweiwertiges Element oder eine Kombination von zweiwertigen Elementen, D ein vierwertiges Element oder eine Kombination von vierwertigen Elementen, E ein dreiwertiges Element oder eine Kombination von dreiwertigen Elementen, RE ein Aktivator-Element ist und 0 ≤ x ≤ 2. Beispielsweise weist der Leuchtstoff die Summenformel Sr₃Li₄Si₂N₆: Eu²⁺ auf.
Die Synthese eines hier beschriebenen Leuchtstoffs 1 wird anhand des Ausführungsbeispiels Sr₃Li₄Si₂N₆:Eu²⁺ erläutert: Die Edukte Li₃N, Li₂O Si₃N₄, SiO₂, Sr₃N₂, SrO und Eu₂O₃ wurden bereitgestellt und miteinander vermengt. Das Vermengen erfolgte beispielsweise in einem Handmörser, einer Mörsermühle, einer Kugelmühle, einem Mehrachsmischer oder Ähnlichem. Das Eduktgemenge wurde anschließend in einen Tiegel, beispielsweise aus Korund oder Nickel oder Wolfram, überführt und anschließend unter N₂-Atmosphäre bei 100 bar für 16 Stunden bei 900 °C zur Reaktion gebracht. Nach erfolgter Reaktion und Abkühlung wurde das Produkt vermahlen, beispielsweise in einem Handmörser, einer Mörsermühle oder einer Kugelmühle, und charakterisiert.

Tabelle 1 zeigt Einwaagen für die Edukte für verschiedene Ansätze für die Herstellung des Ausführungsbeispiels Sr₃Li₄Si₂N₆:Eu²⁺ des Leuchtstoffs 1. Bei allen Ansätzen 1-11 wurde der Leuchtstoff 1 mit der Formel Sr₃Li₄Si₂N₆:Eu²⁺ erhalten. Tabelle 1

Ansatz	m(Eu₂O₃) /g	m(SrO) /g	m(Sr₃N₂) /g	m(SiO₂) /g	m(Si₃N₄) /g	m (Li₂O) /g	m(Li₃N) /g
1	0,0200	0,3713	0,2084	0,8612	0,4021	0,1071	0,0499
2	0,0200	0,2880	0,3032	0, 6681	0,5850	0,0831	0,0726
3	0,0200	0,2953	1,0360	0,0856	0,2498	0,0851	0,2481
4	0,0200	0, 1424	1,1990	0,0413	0,2891	0,0411	0,2871
5	0,0200	0,3430	1,2036	0,0663	0,1935	0,0495	0,1441
6	0,0200	0,1650	1,3895	0,0319	0,2234	0,0238	0,1664
7	0,0200	0,5837	1,0924	0,0846	0,1317	0,0421	0,0654
8	0,0200	0,3732	1,3095	0,0541	0,1579	0,0269	0,0784
9	0,0200	0,1792	1,5095	0,0260	0,1820	0,0129	0,0904
10	0,0200	0, 6170	1,1546	0,0716	0,1114	0,0178	0,0277
11	0,0200	0,3940	1,3825	0,0457	0,1334	0,0114	0,0331

Die kristallographischen Daten des Ausführungsbeispiels Sr₃Li₄Si₂N₆:Eu²⁺ des Leuchtstoffs 1 sind in Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 2

Summenformel	Sr₃Li₄Si₂N₆:Eu²⁺
Formelmasse / gmol^-1	430,83
Z	2
Kristallsystem	monoklin
Raumgruppe	C2/m
Gitterparameter
a / pm	611, 95 (24)
b / pm	966,86(38)
c / pm	621, 15 (24)
α / °	90
β / ◦	90, 0931 (213)
γ / °	90
Volumen V / nm³	0,3675 (4)

Die Struktur von Sr₃Li₄Si₂N₆:Eu²⁺ wurde mittels Einkristallröntgenbeugung bestimmt. Sr₃Li₄Si₂N₆:Eu²⁺ kristallisiert in der monoklinen Raumgruppe C21m. Bei der monoklinen Raumgruppe sind die Winkel α und γ gleich 90° und β ungleich 90°, und die Gitterparameter a, b und c unterscheiden sich.
Die Kristallstruktur von Sr₃Li₄Si₂N₆:Eu²⁺ weist Si-zentrierte SiN₄-Tetraeder und Li-zentrierte LiN₄-Tetraeder auf. Jeweils zwei der SiN₄-Tetraeder sind miteinander kantenverknüpft. Mit anderen Worten weisen die beiden SiN₄-Tetraeder eine gemeinsame Tetraederkante und somit zwei gemeinsame N-Atome auf. Die zwei miteinander kantenverknüpften SiN₄-Tetraeder sind nicht mit einem oder mehreren weiteren SiN₄-Tetraedern verknüpft. Die zwei miteinander kantenverknüpften SiN₄-Tetraeder sind jeweils mit einem oder mehreren LiN₄-Tetraedern eckenverknüpft und/oder kantenverknüpft.
In der Kristallstruktur von Sr₃Li₄Si₂N₆:Eu²⁺ besetzt das Aktivator-Element Eu²⁺ die gleichen kristallografischen Lagen wie die Sr-Atome. Aufgrund der zwei vorhandenen Sr-Lagen in der Kristallstruktur von Sr₃Li₄Si₂N₆:Eu²⁺ weist das Emissionsspektrum zwei Emissionsmaxima auf (2).
In 2 ist ein Emissionsspektrum des Ausführungsbeispiels Sr₃Li₄Si₂N₆:Eu²⁺ des Leuchtstoffs 1 nach anregender blauer Primärstrahlung mit einer Wellenlänge von 448 nm gezeigt.
Aufgetragen ist die relative Intensität I/I_max gegen die Wellenlänge λ in nm. Das Emissionsspektrum zeigt eine breitbandige Emission im roten bis tiefroten Wellenlängenbereich mit einer Dominanzwellenlänge λ_dom von 628 nm und einer Schwerpunktwellenlänge λ_centroid von 771 nm. Die breite Emissionsbande weist eine spektrale Halbwertsbreite FWHM von 227 nm um die zwei spektralen Maxima bei 684 nm und 776 nm auf.
Die spektralen Daten des Leuchtstoffs 1 mit der Formel Sr₃Li₄Si₂N₆:Eu²⁺ sind in Tabelle 3 zusammengefasst. Tabelle 3

Anregung bei 448 nm

Dominanzwellenlänge λ_dom 628 nm

Schwerpunktwellenlänge λ_centroid 771 nm

Peakwellenlänge λ_max1 648 nm

Peakwellenlänge λ_max2 776 nm

FWHM gesamt 227 nm

Weitere Ausführungsbeispiele des Leuchtstoffs 1 sind in Tabelle 4 aufgeführt. Tabelle 4

Nr.	Summenformel	Nr.	Summenformel
1	Sr₃Li₄Si₂N₆:Eu²⁺	31	Sr₂CaLi₄Ga₂N₄O₂ : Eu²⁺
2	Ca₃Li₄Si₂N₆: Eu²⁺	32	SrCa₂Li₄Ga₂N₄O₂: Eu²⁺
3	Ba₃Li₄Si₂N₆:Eu²⁺	33	Sr₂BaLi₄SiGaN₅O: Eu²⁺
4	Sr₂CaLi₄Si₂N₆ : Eu²⁺	34	SrBa₂Li₄SiGaN₅O: Eu²⁺
5	SrCa₂Li₄Si₂N₆ : Eu²⁺	35	Sr₂BaLi₄Ga₂N₄O₂ : Eu²⁺
6	Sr₂BaLi₄Si₂N₆ : Eu²⁺	36	SrBa₂Li₄Ga₂N₄O₂ : Eu²⁺
7	SrBa₂Li₄Si₂N₆ : Eu²⁺	37	Ba₂CaLi₄SiGaN₅O: Eu²⁺
8	Sr₃Li₄SiAlN₅O:Eu²⁺	38	BaCa₂Li₄SiGaN₅O: Eu²⁺
9	Sr₃Li₄Al₂N₄O₂ : Eu²⁺	39	Sr₃Li₄AlGaN₄O₂ : Eu²⁺
10	Sr₂CaLi₄SiAlN₅0 : Eu²⁺	40	Sr₂BaLi₄AlGaN₄O₂ : Eu²⁺
11	SrCa₂Li₄SiAlN₅O: Eu²⁺	41	SrBa₂Li₄AlGaN₄O₂ : Eu²⁺
12	Sr₂CaLi₄Al₂N₄O₂ : Eu²⁺	42	Sr₃Li₄SiBN₅O: Eu²⁺
13	SrCa₂Li₄Al₂N₄O₂ : Eu²⁺	43	Sr₃Li₄B₂N₄O₂ : Eu²⁺
14	Sr₂BaLi₄SiAlN₅O: Eu²⁺	44	Sr₂CaLi₄SiBN₅O: Eu²⁺
15	SrBa₂Li₄SiAlN₅O: Eu²⁺	45	SrCa₂Li₄SiBN₅O: Eu²⁺
16	Sr₂BaLi₄Al₂N₄O₂ : Eu²⁺	46	Sr₂CaLi₄B₂N₄O₂ : Eu²⁺
17	SrBa₂Li₄Al₂N₄O₂ : Eu²⁺	47	SrCa₂Li₄B₂N₄O₂ : Eu²⁺
18	Ba₂CaLi₄SiAlN₅O: Eu²⁺	48	Sr₂BaLi₄SiBN₅O: Eu²⁺
19	BaCa₂Li₄SiAlN₅O : Eu²⁺	49	SrBa₂Li₄SiBN₅O: Eu²⁺
20	Sr₃Li₄SiGeN₆:Eu²⁺	50	Sr₂BaLi₄B₂N₄O₂ : Eu²⁺
21	Ca₃Li₄SiGeN₆ :Eu²⁺	51	SrBa₂Li₄B₂N₄O₂ : Eu²⁺
22	Ba₃Li₄SiGeN₆ : Eu²⁺	52	Ba₂CaLi₄SiBN₅O: Eu²⁺
23	Sr₂CaLi₄SiGeN₆ : Eu²⁺	53	BaCa₂Li₄SiBN₅O: Eu²⁺
24	SrCa₂Li₄SiGeN₆:Eu²⁺	54	Sr₃Li₄BGaN₄O₂ : Eu²⁺
25	Sr₂BaLi₄SiGeN₆ :Eu²⁺	55	Sr₂BaLi₄BGaN₄O₂ : Eu²⁺
26	SrBa₂Li₄SiGeN₆:Eu²⁺	56	SrBa₂Li₄BGaN₄O₂ : Eu²⁺
27	Sr₃Li₄SiGaN₅O:Eu²⁺	57	Sr₃Li₄AlBN₄O₂: Eu²⁺
28	Sr₃Li₄Ga₂N₄O₂ : Eu²⁺	58	Sr₂BaLi₄AlBN₄O₂ : Eu²⁺
29	Sr₂CaLi₄SiGaN₅O:Eu²⁺	59	SrBa₂Li₄AlBN₄O₂ : Eu²⁺
30	SrCa₂Li₄SiGaN₅O:Eu²⁺

3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines strahlungsemittierenden Bauelements 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das strahlungsemittierende Bauelement 10 umfasst einen Halbleiterchip 11 mit einer aktiven Schichtenfolge und einen aktiven Bereich (hier nicht explizit gezeigt), der im Betrieb des strahlungsemittierenden Bauelements 10 eine Primärstrahlung emittiert. Bei der Primärstrahlung handelt es sich um elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs. Bevorzugt handelt es sich bei der Primärstrahlung um elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im ultravioletten und/oder sichtbaren Bereich, beispielsweise im blauen Bereich. Beispielsweise ist der Halbleiterchip 11 ein Halbleiterdiodenchip, der eine Primärstrahlung mit Wellenlängen von einschließlich 400 nm bis einschließlich 600 nm emittiert. Alternativ kann der Halbleiterchip 11 ein Laserdiodenchip sein, der beispielsweise eine Primärstrahlung einer Wellenlänge von 405 nm oder 448 nm emittiert. Die Primärstrahlung wird durch die Strahlungsaustrittsfläche 12 emittiert.
Das strahlungsemittierende Bauelement 10 umfasst weiterhin ein Konversionselement 13, das dazu eingerichtet ist, die Primärstrahlung zu absorbieren und zumindest teilweise in eine Sekundärstrahlung zu konvertieren. Die Sekundärstrahlung weist zumindest teilweise einen Wellenlängenbereich mit längeren Wellenlängen als die Primärstrahlung auf. Beispielsweise konvertiert das Konversionselement 13 die Primärstrahlung in Sekundärstrahlung im roten Wellenlängenbereich.
Das Konversionselement 13 ist im Strahlengang der Primärstrahlung des Halbleiterchips 11 so angeordnet, dass zumindest ein Teil der Primärstrahlung auf das Konversionselement 13 trifft. Dazu kann das Konversionselement 13 im direkten Kontakt auf dem Halbleiterchip 11, insbesondere der Strahlungsaustrittsfläche 12, aufgebracht sein oder vom Halbleiterchip 11 beabstandet angeordnet sein.
Das Konversionselement 13 weist einen Leuchtstoff 1 mit der allgemeinen Formel EA₃Li₄D_2-xE_xN_6-xO_x: RE auf. Insbesondere kann das Konversionselement 13 den Leuchtstoff 1 mit der Formel Sr₃Li₄Si₂N₆:RE aufweisen. Der Leuchtstoff 1 kann in ein Matrixmaterial eingebettet sein. Alternativ kann das Konversionselement 13 frei von einem Matrixmaterial sein. In diesem Fall kann das Konversionselement 13 aus dem Leuchtstoff 1, beispielsweise aus einer Keramik des Leuchtstoffs 1, bestehen.
Das Konversionselement 13 kann frei von einem weiteren Leuchtstoff sein. In diesem Fall erzeugt das strahlungsemittierende Bauelement 10 rotes bis tiefrotes Licht, beispielsweise für Horticulture-Anwendungen.
Alternativ kann das Konversionselement 13 zumindest einen weiteren Leuchtstoff aufweisen, der die Primärstrahlung in elektromagnetische Strahlung eines dritten Wellenlängenbereichs konvertiert, der zumindest teilweise von dem ersten und zweiten Wellenlängenbereich verschieden ist.
Beispielsweise umfasst der dritte Wellenlängenbereich Wellenlängen im grünen, gelben und/oder orangefarbenen Spektralbereich. Der weitere Leuchtstoff kann dazu Granate wie YAG, LuAG und/oder LuAGaG umfassen. Das strahlungsemittierende Bauelement 10 kann dann beispielsweise weißes Licht emittieren.
Alternativ kann der dritte Wellenlängenbereich Wellenlängen über 1000 nm umfassen. Dadurch deckt die von dem strahlungsemittierenden Bauelement 10 emittierte Strahlung zumindest teilweise den roten, den tiefroten und den nahinfraroten Spektralbereich ab, beispielsweise für spektroskopische Untersuchung in biologischen Proben.
Die in den in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Merkmale und Ausführungsbeispiele können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen miteinander kombiniert werden, auch wenn nicht alle Kombinationen explizit beschrieben sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Leuchtstoff
10: strahlungsemittierendes Bauelement
11: Halbleiterchip
12: Strahlungsaustrittsfläche
13: Konversionselement

Claims

Leuchtstoff (1) mit der allgemeinen Formel EA₃Li₄D_2-xE_xN_6-xO_x:RE, wobei - EA ein Element oder eine Kombination von Elementen ausgewählt aus der Gruppe der zweiwertigen Elemente ist, - D ein Element oder eine Kombination von Elementen ausgewählt aus der Gruppe der vierwertigen Elemente ist, - E ein Element oder eine Kombination von Elementen ausgewählt aus der Gruppe der dreiwertigen Elemente ist, - RE ein Aktivator-Element oder eine Kombination von Aktivator-Elementen ist, und - 0 ≤ x ≤ 2.
Leuchtstoff (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei EA ein Element oder eine Kombination von Elementen ausgewählt aus der Gruppe Mg, Ca, Sr, Ba ist, und/oder wobei D ein Element oder eine Kombination von Elementen ausgewählt aus der Gruppe Si, Ge ist, und/oder wobei E ein Element oder eine Kombination von Elementen ausgewählt aus der Gruppe Al, B, Ga ist, und/oder wobei RE ein Element oder eine Kombination von Elementen ausgewählt aus der Gruppe Eu, Ce ist.
Leuchtstoff (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei RE einen molaren Anteil zwischen einschließlich 0,0001 und einschließlich 0,1 bezogen auf das Element EA aufweist.
Leuchtstoff (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leuchtstoff (1) eine Wirtsstruktur aufweist, die in einer monoklinen Raumgruppe kristallisiert.
Leuchtstoff (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leuchtstoff (1) einen Absorptionsbereich zumindest teilweise im ultravioletten bis roten Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums aufweist.
Leuchtstoff (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine von dem Leuchtstoff (1) ausgesandte elektromagnetische Strahlung eine Schwerpunktwellenlänge (λ_centroid) zwischen einschließlich 750 nm und einschließlich 790 nm aufweist.
Leuchtstoff (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine von dem Leuchtstoff (1) ausgesandte elektromagnetische Strahlung ein Emissionsmaximum zumindest eines Emissionspeaks zwischen einschließlich 640 nm und einschließlich 870 nm aufweist.
Leuchtstoff (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine von dem Leuchtstoff (1) ausgesandte elektromagnetische Strahlung eine spektrale Halbwertsbreite zwischen einschließlich 200 nm und einschließlich 250 nm aufweist.
Leuchtstoff (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leuchtstoff (1) die Formel Sr₃Li₄Si_2-xAl_xN_6-xO_x: RE mit 0 ≤ x ≤ 2 aufweist.
Leuchtstoff (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leuchtstoff (1) die Formel Sr₃Li₄Si₂N₆:RE aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs (1) mit der allgemeinen Formel EA₃Li₄D_2-xE_xN_6-xO_x: RE, wobei - EA ein Element oder eine Kombination von Elementen ausgewählt aus der Gruppe der zweiwertigen Elemente ist, - D ein Element oder eine Kombination von Elementen ausgewählt aus der Gruppe der vierwertigen Elemente ist, - E ein Element oder eine Kombination von Elementen ausgewählt aus der Gruppe der dreiwertigen Elemente ist, - RE ein Aktivator-Element oder eine Kombination von Aktivator-Elementen ist, und - 0 ≤ x ≤ 2, umfassend die Schritte - Bereitstellen von Edukten, - Vermengen der Edukte zu einem Eduktgemenge, und - Erhitzen des Eduktgemenges.
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Eduktgemenge auf eine Temperatur zwischen einschließlich 600 °C und einschließlich 1400 °C erhitzt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei das Eduktgemenge bei einem Druck von mehr als 1 bar erhitzt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Eduktgemenge unter einer N₂-Atmosphäre oder einer Formiergasatmosphäre erhitzt wird.
Strahlungsemittierendes Bauelement (10) mit - einem Halbleiterchip (11), der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs aussendet, - einem Konversionselement (13), das einen Leuchtstoff (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist, der elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs umwandelt, der von dem ersten Wellenlängenbereich zumindest teilweise verschieden ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement (100) nach Anspruch 15, wobei der Leuchtstoff (1) im roten Spektralbereich emittiert.
Strahlungsemittierendes Bauelement (10) nach einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei das Konversionselement (13) zumindest einen weiteren Leuchtstoff umfasst, der elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines dritten Wellenlängenbereichs konvertiert, der zumindest teilweise von dem ersten und zweiten Wellenlängenbereich verschieden ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement (10) nach Anspruch 17, wobei der dritte Wellenlängenbereich Wellenlängen im grünen, gelben und/oder orangefarbenen Spektralbereich umfasst, oder wobei der dritte Wellenlängenbereich Wellenlängen über 1000 nm umfasst.
Strahlungsemittierendes Bauelement (10) nach einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei das Konversionselement (13) frei von einem weiteren Leuchtstoff ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement (10) nach Anspruch 19, wobei das Konversionselement (13) die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs vollständig in elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs umwandelt.