DE102022118680A1

DE102022118680A1 - Leuchtstoff, verfahren zu dessen herstellung und strahlungsemittierendes bauelement

Info

Publication number: DE102022118680A1
Application number: DE102022118680.6A
Authority: DE
Inventors: Gina Maya Achrainer; Daniel Bichler; Johanna Strube-Knyrim
Original assignee: Ams Osram International GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2022-07-26
Filing date: 2022-07-26
Publication date: 2024-02-01
Also published as: WO2024022862A1

Abstract

Es wird ein Leuchtstoff (1) mit der Summenformel REDySi2-x-yLixN3-3x-yO1+3x+y:M angegeben, wobei RE ein Seltenerdelement ist, D ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der dreiwertigen Elemente ist, M ein Aktivator-Element oder eine Kombination von Aktivator-Elementen ist und 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 2 und x + y ≤ 2 gilt.Darüber hinaus werden ein Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs (1) und ein strahlungsemittierendes Bauelement (7) angegeben.

Description

Es werden ein Leuchtstoff, ein Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs und ein strahlungsemittierendes Bauelement angegeben.
Es ist unter anderem eine Aufgabe einen Leuchtstoff mit einer erhöhten Effizienz bereitzustellen. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leuchtstoffs und ein verbessertes strahlungsemittierendes Bauelement bereitgestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die Summenformel RED_ySi_2-x-yLi_xN_3-3x-yO_1+3x+y:M auf. Eine alternative Schreibweise der Summenformel ist RE(D,Si,Li)₂(N,O)₄:M.
Es ist bei den angegebenen Summenformeln möglich, dass der Leuchtstoff weitere Elemente, beispielsweise in Form von Verunreinigungen, aufweist. Insbesondere weisen diese Verunreinigungen höchstens 5 Mol-%, insbesondere höchstens 1 Mol-%, bevorzugt höchstens 0,1 Mol-% auf.
Gemäß einer Ausführungsform des Leuchtstoffs ist RE ein Seltenerdelement. Seltenerdelemente umfassen vorliegend die chemischen Elemente der 3. Nebengruppe des Periodensystems sowie die Lanthanoide. RE ist vorliegend beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe gebildet durch Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu. Insbesondere ist RE La.
Gemäß einer Ausführungsform des Leuchtstoffs ist D ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der dreiwertigen Elemente. Insbesondere ist D ein Element oder eine Kombination von Elementen ausgewählt aus der Gruppe gebildet durch Al und Ga.
Gemäß einer Ausführungsform des Leuchtstoffs ist M ein Aktivator-Element oder eine Kombination von Aktivator-Elementen. Insbesondere ist M ein Element oder eine Kombination von Elementen ausgewählt aus der Gruppe gebildet durch Ce und Eu. Insbesondere liegt Ce in der Form Ce³⁺ vor. Eu liegt beispielsweise in der Form Eu²⁺ vor.
Bevorzugt umfasst der Leuchtstoff ein Wirtsgitter, in das Fremdelemente als die Aktivator-Elemente eingebracht sind. Das Wirtsgitter verändert die elektronische Struktur des Aktivator-Elements so, dass elektromagnetische Strahlung einer Anregungswellenlänge, die von dem Leuchtstoff absorbiert wird, einen elektronischen Übergang von einem Grundzustand in einen angeregten Zustand in dem Leuchtstoff hervorruft. Unter Aussenden von elektromagnetischer Strahlung mit einem Emissionsspektrum geht der Leuchtstoff wieder in den Grundzustand über.
Insbesondere weisen Leuchtstoffe mit Eu²⁺ als Aktivator-Element bereits bei Bestrahlungsstärken um 100 mW/mm² Quenchingeffekte auf. Leuchtstoffe mit Ce³⁺ als Aktivator-Element, wie Y₃Al₅O₁₂ : Ce³⁺, zeigen hingegen Quenchingeffekte beispielsweise erst oberhalb von 10 W/mm². Diese Beobachtung lässt sich insbesondere auf eine niedrigere Lebensdauer eines angeregten Zustands von Ce³⁺ im Vergleich mit einer Lebensdauer eines angeregten Zustands von Eu²⁺ zurückführen. Die Lebensdauer eines angeregten Zustands von Ce³⁺ liegt beispielsweise unter etwa 100 Nanosekunden, wohingegen die Lebensdauer eines angeregten Zustands von Eu²⁺ zum Beispiel im Bereich von etwa 1 Mikrosekunde bis etwa 10 Mikrosekunden liegt.
Gemäß einer Ausführungsform des Leuchtstoffs gilt 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 2 und x + y ≤ 2. Insbesondere gilt y = 0. Das heißt der Leuchtstoff ist frei von D.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die Summenformel RED_ySi_2-x-yLi_xN_3-3x-yO_1+3x+y:M auf, wobei RE ein Seltenerdelement ist, D ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der dreiwertigen Elemente ist, M ein Aktivator-Element oder eine Kombination von Aktivator-Elementen ist, und 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 2 und x + y ≤ 2 gilt.
Gemäß einer Ausführungsform des Leuchtstoffs weist M einen molekularen Anteil zwischen einschließlich 0,1% und einschließlich 10%, insbesondere zwischen einschließlich 0,1% und einschließlich 5%, bezogen auf RE auf. Mit anderen Worten sind zwischen einschließlich 0,1% und einschließlich 10% der Punktlagen von RE mit M besetzt.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die Summenformel LaSi_2-xLi_xN_3-3xO_1+3x: Ce³⁺ auf.
Gemäß einer Ausführungsform sendet der Leuchtstoff nach Anregung mit elektromagnetischer Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs aus dem ultravioletten bis blauen Spektralbereich elektromagnetische Strahlung mit einem Emissionsspektrum aus, das einen Emissionspeak mit einem Emissionsmaximum im cyanen Spektralbereich aufweist. Alternativ oder zusätzlich liegt das Emissionsmaximum im blaugrünen Spektralbereich. Beispielsweise wird der Leuchtstoff mit einer Wellenlänge von etwa 405 Nanometer angeregt. Insbesondere emittiert der Leuchtstoff elektromagnetische Strahlung mit einem Emissionsmaximum im Wellenlängenbereich von einschließlich 390 Nanometer bis einschließlich 590 Nanometer, bevorzugt von einschließlich 420 Nanometer bis einschließlich 540 Nanometer, besonders bevorzugt von einschließlich 440 Nanometer bis einschließlich 520 Nanometer. Beispielsweise emittiert der Leuchtstoff elektromagnetische Strahlung mit einem Emissionsmaximum bei einer Wellenlänge von etwa 460 Nanometer.
Insbesondere ist eine Lage des Emissionsmaximums von einer Zusammensetzung des Leuchtstoffs abhängig. Vorteilhafterweise kann der Leuchtstoff daher anwendungsbezogen angepasst werden.
Der hier beschriebene Leuchtstoff kann vorteilhafterweise in Human-Centric-Lighting-Anwendungen eingesetzt werden. Unter Human Centric Lighting versteht man menschenzentrierte Beleuchtungskonzepte, die neben der rein visuellen auch nicht-visuelle Wirkungen von Licht, wie gesteigerte Aufmerksamkeit und Wachheit, berücksichtigen. Diese Wirkungen werden einer Aktivierung des Fotorezeptors Melanopsin im Auge zugeschrieben. Insbesondere weist das Emissionsspektrum des Leuchtstoffs einen großen Überlapp mit der melanopischen Kurve auf. Die melanopische Kurve ist insbesondere die Empfindlichkeitskurve von melanopsinhaltigen Zellen im menschlichen Auge.
Gemäß einer Ausführungsform des Leuchtstoffs weist der Emissionspeak eine Halbwertsbreite im Bereich von einschließlich 70 Nanometer bis einschließlich 100 Nanometer, insbesondere im Bereich von einschließlich 75 Nanometer bis 90 Nanometer auf. Beispielsweise weist der Emissionspeak des Leuchtstoffs eine Halbwertsbreite von etwa 83 Nanometer auf.
Gemäß einer Ausführungsform weist die von dem Leuchtstoff ausgesandte elektromagnetische Strahlung eine Schwerpunktwellenlänge λ_cent im Bereich von einschließlich 420 Nanometer bis einschließlich 530 Nanometer oder von einschließlich 420 Nanometer bis einschließlich 520 Nanometer, insbesondere im Bereich von einschließlich 440 Nanometer bis einschließlich 520 oder im Bereich von einschließlich 440 Nanometer bis einschließlich 500 Nanometer auf. Beispielsweise liegt die Schwerpunktwellenlänge bei etwa 485 Nanometer.
Die Schwerpunktwellenlänge bezeichnet einen Schwerpunkt einer spektralen Verteilung eines Emissionsspektrums. Mit anderen Worten ist die Schwerpunktwellenlänge ein Maß für den Mittelpunkt des Emissionsspektrums. Die Schwerpunktwellenlänge wird als arithmetisches Mittel der Wellenlängen λ, gewichtet mit ihren Amplituden entsprechend einer Verteilungsfunktion s(λ) gewichtet, berechnet: $λ_{c e n t} = \frac{\int_{- \infty}^{\infty} λ \cdot s (λ) d λ}{\int_{- \infty}^{\infty} s (λ) d λ} .$
Leuchtstoffe wie (Sr,Ba) Si₂O₂N₂:Eu²⁺ oder β-SiAlON:Eu²⁺, die Eu²⁺ als Aktivator-Element und einen Emissionspeak im blauen bis grünen Wellenlängenbereich aufweisen, können häufig nur bei niedrigen Bestrahlungsstärken eingesetzt werden. Beispielsweise wird bei β-SiAlON:Eu²⁺ aufgrund von Sättigungseffekten und Quenchingeffekten bereits bei etwa 0,7 W/mm² Bestrahlungsstärke ein Maximum einer Emissionsleistung erreicht. Ce³⁺-aktivierte Leuchtstoffe, wie beispielsweise Lu₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺ mit Emission im cyanen bis grünen Wellenlängenbereich weisen eine Dominanzwellenlänge im Bereich von 550 Nanometer bis 570 Nanometer und eine Halbwertsbreite zwischen 100 Nanometer und 120 Nanometer auf. Die genauen optischen Eigenschaften von Lu₃(Al,Ga)₅O₁₂: Ce³⁺ hängen dabei insbesondere von einer Zusammensetzung, beispielsweise einem Ga-Gehalt, einem Dotierungsgrad und einer Korngröße ab. Vorteilhafterweise weist die von dem hier beschriebenen Leuchtstoff emittierte elektromagnetische Strahlung einen Emissionspeak mit einer geringeren Halbwertsbreite auf als die zuvor genannten anderen Ce³⁺-aktivierten Leuchtstoffe.
Gemäß einer Ausführungsform kristallisiert das Wirtsgitter des Leuchtstoffs in einer orthorhombischen Raumgruppe, beispielsweise in der Raumgruppe Pna2₁.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Wirtsgitter des Leuchtstoffs Tetraeder ausgewählt aus der Gruppe gebildet durch D(N,O)₄-Tetraeder, Si(N,O)₄-Tetraeder, Li(N,O)₄-Tetraeder und Kombinationen davon. Insbesondere ist ein Tetraeder von insgesamt vier N- und O-Atomen aufgespannt. Mit anderen Worten ist ein Tetraeder durch vier Atome aufgespannt, die aus der Gruppe gebildet durch N-Atome und O-Atome ausgewählt sind. Werden die Atome an den Ecken der Tetraeder als sich berührende Kugeln gedacht, so bildet sich in deren Mitte eine Tetraederlücke aus. Die Tetraederlücke wird durch ein D-Atom, ein Si-Atom oder ein Li-Atom besetzt. Ein Tetraeder ist also D-zentriert, Si-zentriert oder Lizentriert.
Insbesondere ist ein Teil der Tetraeder allseitig eckenverknüpft. Das bedeutet beispielsweise, dass ein Tetraeder über alle vier Ecken mit jeweils einer Ecke eines weiteren Tetraeders verknüpft ist. Alternativ oder zusätzlich ist ein anderer Teil der Tetraeder nur über drei Ecken zu weiteren Tetraedern verknüpft.
Die Tetraeder bilden beispielsweise ein Raumnetz aus. Das Raumnetz umfasst insbesondere Kanäle, die sich bevorzugt entlang der kristallographischen c-Achse erstrecken. Beispielsweise ist RE in den Kanälen angeordnet. Insbesondere weist das Wirtsgitter zwei unterschiedliche Punktlagen für RE auf.
Gemäß einer Ausführungsform des Leuchtstoffs bilden die Tetraeder Fünfer-Ringe aus. Insbesondere sind die Fünfer-Ringe zu Strängen verknüpft, die beispielsweise entlang der kristallographischen a-Achse verlaufen.
Gemäß einer Ausführungsform des Leuchtstoffs weist das Wirtsgitter vier symmetrisch unterschiedliche Arten von Tetraedern auf. Eine erste Art der Tetraeder ist insbesondere allseitig eckenverknüpft. Ein Tetraeder der ersten Art ist beispielsweise Teil eines Fünfer-Rings.
Eine zweite Art der Tetraeder ist insbesondere über drei Ecken des Tetraeders mit weiteren Tetraedern verknüpft. An der vierten Ecke des Tetraeders der zweiten Art befindet sich ein endständiges Anion. Beispielsweise handelt es sich bei dem endständigen Anion um ein Sauerstoffanion. Der Tetraeder der zweiten Art ist beispielsweise Teil eines Fünfer-Rings.
Eine dritte Art der Tetraeder ist insbesondere allseitig eckenverknüpft. Ein Tetraeder der dritten Art ist beispielsweise Teil eines Fünfer-Rings. Insbesondere ist ein Tetraeder der dritten Art mit einem weiteren Tetraeder der dritten Art verknüpft.
Eine vierte Art der Tetraeder ist insbesondere über drei Ecken des Tetraeders zu weiteren Tetraedern verknüpft. Der Tetraeder der vierten Art ist nicht Teil des Fünfer-Rings.
Beispielsweise weist ein Fünfer-Ring zwei Tetraeder der ersten Art, zwei Tetraeder der zweiten Art und einen Tetraeder der dritten Art auf. Bevorzugt sind die Tetraeder der ersten, zweiten und dritten Art in dem Fünfer-Ring alternierend angeordnet. Mit anderen Worten sind die Tetraeder der ersten Art und die Tetraeder der zweiten Art in einem Fünfer-Ring nicht direkt miteinander verbunden. Die Fünfer-Ringe in einem Strang sind über die Tetraeder der ersten Art und die Tetraeder der zweiten Art miteinander verknüpft. Mit anderen Worten sind die Tetraeder der ersten Art und der zweiten Art jeweils Teil von zwei Fünfer-Ringen.
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 einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs die Schritte Bereitstellen von Edukten, Vermengen der Edukte zu einem Eduktgemenge und Erhitzen des Eduktgemenges. Der Leuchtstoff weist die Summenformel RED_ySi_2-x-yLi_xN_3-3x-yO_1+3x+y:M auf, wobei RE ein Seltenerdelement ist, D ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der vierwertigen Elemente ist, M ein Aktivator-Element oder eine Kombination von Aktivator-Elementen ist und 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 2 und x + y ≤ 2 gilt.
Insbesondere ist es möglich, dass durch das Verfahren ein Gemenge hergestellt wird, welches den Leuchtstoff umfasst oder daraus besteht. Weitere Bestandteile des Gemenges können beispielsweise Edukte sein, welche bei der Herstellung des Leuchtstoffs nicht reagiert haben, Verunreinigungen und/oder Nebenphasen, welche bei der Herstellung gebildet wurden.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens sind die Edukte ausgewählt aus einer Gruppe, die die Oxide, Nitride, Fluoride, Oxalate, Citrate, Carbonate, Amine und Imide von RE, D, Si, Li und M umfasst. Insbesondere werden Oxide und/oder Nitride von RE, D, Si, Li und M als Edukt eingesetzt.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Eduktgemenge auf eine Temperatur im Bereich von einschließlich 700 °C bis einschließlich 1400 °C erhitzt.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird während des Erhitzens ein Temperaturprogramm durchlaufen, das eine Haltestufe bei einer ersten Temperatur aufweist. Insbesondere ist die erste Temperatur geringer als eine maximale Temperatur, die während des Verfahrens erreicht wird.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens findet das Erhitzen des Eduktgemenges unter einer N₂-Atmosphäre oder einer N₂/H₂-Atmosphäre (95%/5%) statt.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Erhitzen unter einem Druck von maximal 100 bar, insbesondere von maximal 80 bar, bevorzugt von maximal 60 bar durchgeführt. Beispielsweise wird während dem Erhitzen ein maximaler Druck von etwa 50 bar erreicht.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Erhitzen des Eduktgemenges für eine Zeit von einschließlich 1 Stunde bis einschließlich 24 Stunden, insbesondere von einschließlich 5 Stunden bis einschließlich 20 Stunden, bevorzugt von einschließlich 7 Stunden bis einschließlich 15 Stunden.
Es wird weiterhin ein strahlungsemittierendes Bauelement mit einem 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 einer Ausführungsform umfasst das strahlungsemittierende Bauelement einen Halbleiterchip, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs aussendet. Insbesondere emittiert der Halbleiterchip elektromagnetische Strahlung im ultravioletten bis blauen Spektralbereich.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das strahlungsemittierende Bauelement weiterhin ein Konversionselement mit dem hier beschriebenen Leuchtstoff.
Der Leuchtstoff konvertiert insbesondere die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines Emissionsspektrums. Bevorzugt sind die Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs und die Wellenlängen, die von dem Leuchtstoff in Form des Emissionsspektrums ausgesendet werden, zumindest teilweise verschieden.
Vorteilhafterweise kann das strahlungsemittierende Bauelement in Human-Centric-Lighting-Anwendungen eingesetzt werden. Weiterhin ist es möglich das strahlungsemittierende Bauelement in einer Einsatzfahrzeug-Beleuchtung (engl. „emergency vehicle lighting“) einzusetzen. Ein strahlungsemittierendes Bauelement mit dem hier beschrieben Leuchtstoff erweist sich dabei insbesondere im Vergleich zu anderen strahlungsemittierenden Bauelementen als vorteilhaft, da das Emissionsspektrum des Leuchtstoffs einen großen Überlapp mit der melanopischen Kurve aufweist. Dadurch kann ein strahlungsemittierendes Bauelement bereitgestellt werden, das eine höhere Augenempfindlichkeit bei ungefähr gleichem Farbort aufweist.
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 eines Leuchtstoffs gemäß einem Ausführungsbeispiel.
2 zeigt einen schematischen Ausschnitt einer Kristallstruktur eines Wirtsgitters eines Leuchtstoffs gemäß einem Ausführungsbeispiel.
3 und 4 zeigen Emissionsspektren eines Leuchtstoffs gemäß einem Ausführungsbeispiel und eines Leuchtstoffs gemäß einem Vergleichsbeispiel.
5 zeigt schematisch verschiedene Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Leuchtstoffs gemäß einem Ausführungsbeispiel.
6 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 der 1 gehorcht vorliegend der Summenformel RED_ySi_2-x-yLi_xN_3-3x-yO_1+3x+y:M, wobei RE ein Seltenerdelement ist, D ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der dreiwertigen Elemente ist, M ein Aktivator-Element oder eine Kombination von Aktivator-Elementen ist, und 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 2 und x + y ≤ 2 gilt. Insbesondere weist der Leuchtstoff 1 die Summenformel LaSi_2-xLi_xN_3-3xO_1+3x: Ce³⁺ auf. Der Leuchtstoff 1 liegt vorliegend in der Form von Partikeln vor, die beispielsweise eine Korngröße zwischen einschließlich 500 Nanometer und einschließlich 100 Mikrometer aufweisen.

Die 2 zeigt einen Ausschnitt aus einer Kristallstruktur eines Wirtsgitters 2 eines Leuchtstoffs 1. Der Leuchtstoff 1 weist vorliegend die Summenformel LaSi_2-xLi_xN_3-3xO_1+3x:Ce³⁺ auf. Die Kristallstruktur ist aus Blickrichtung der kristallographischen c-Achse dargestellt. Kristallographische Daten für LaSi_2-xLi_xN_3-3xO_1+3x: Ce³⁺ sind in der Tabelle 1 zusammengefasst. Tabelle 2 zeigt kristallographische Lageparameter von LaSi_2-xLi_xN_3-3xO_1+3x: Ce³⁺. Vorliegend besetzen Si und Li die gleichen Punktlagen. Daher werden in der Tabelle 2 lediglich Punktlagen für Si beschrieben. Aufgrund der ähnlichen Elektronendichte von N und O ist es nur eingeschränkt möglich eine definitive Zuordnung dieser Elemente zu den entsprechenden Punktlagen vorzunehmen. Tabelle 1: Kristallographische Daten von LaSi_2-xLi_xN_3-3xO_1+3x : Ce³⁺.

Summenformel		LaSi _2-x Li _x N _3-3x O _1+3x:Ce ³⁺
Kristallsystem		orthorhombisch
Raumgruppe		Pna2₁
Gitterparameter
a /pm	783, 31 (6)	α /° 90
b /pm	1826, 80 (13)	β /° 90
c /pm	485, 74 (4)	γ /° 90
Volumen V /nm³		0,69507 (9)
Kristallographische Dichte ρ / g cm^-3		4,838
T /K		296 (2)
Diffraktometer		Bruker D8 Quest
Strahlung		Cu K_α (154,178 nm)
Messbereich		4,84° ≤ θ ≤ 65,17°
Gemessene / unabhängige Reflexe		3385/1063
Gemessener reziproker Raum		-9 ≤ h ≤ 8;
		-21 ≤ k ≤ 21;
		-5 ≤ 1 ≤ 5
R_a11/wR_ref		6,62% / 11,54%
GooF		0, 997

Tabelle 2: Kristallographische Lageparameter von LaSi_2-xLi_xN_3-3xO_1+3x: Ce³⁺.

Name	Atomtyp	Wyckoff -Lage	x	y	Z	Besetzung	U _iso * U _ani
La01	La	4a	0,51787 (16)	0,76215 (7)	0,4462 (5)	1	0,0094 (4)*
La02	La	4a	0,33610 (17)	0,55612 (7)	0,4646 (6)	1	0,0110 (4)*
Si03	Si	4a	0,2975 (8)	0,6768 (3)	0,989 (2)	1	0,0090 (15)
Si04	Si	4a	0,6907 (8)	0,6563 (3)	0,9991 (18)	1	0,0078 (15)
Si05	Si	4a	0,9968 (8)	0,5554 (4)	0,0170 (15)	1	0,0072 (16)
Si06	Si	4a	0,7719 (8)	0,5740 (4)	0,5081 (16)	1	0,0083 (16)
0007	O	4a	0,620 (3)	0,5127 (10)	0,533 (4)	1	0,012 (4)
0008	O	4a	0,293 (3)	0,6784 (11)	0,647 (4)	1	0,009 (4)
N009	N	4a	0,724 (3)	0,6545 (14)	0,654 (5)	1	0,010 (5)
N010	N	4a	0,484 (3)	0,6492 (15)	1,125 (6)	1	0,016 (6)
N011	N	4a	0,270 (3)	0,7620 (14)	1,121 (5)	1	0,011 (5)
N012	N	4a	0,801 (3)	0,5806 (14)	0,156 (5)	1	0,010 (5)
N013	N	4a	0,138 (4)	0,6213 (15)	1,101 (6)	1	0,019 (6)
N014	N	4a	1,048 (3)	0,4687 (14)	0,174 (5)	1	0,009 (5)

Der in der 2 gezeigte Ausschnitt der Kristallstruktur des Wirtsgitters 2 weist Tetraeder 3 auf. Vorliegend sind die Tetraeder Si(N,O)₄-Tetraeder und Li(N,O)₄-Tetraeder. Umfasst der Leuchtstoff 1 neben Si und Li D, so weist das Wirtsgitter 2 des Leuchtstoffs 1 ebenfalls D(N,O)₄-Tetraeder auf.
Das Wirtsitter 2 umfasst vier symmetrisch unterschiedliche Arten von Tetraedern 3, eine erste Art, eine zweite Art, eine dritte Art und eine vierte Art. Die Tetraeder 3 der ersten und der dritten Art sind allseitig eckenverknüpft. Die Tetraeder 3 der zweiten und der vierten Art weisen jeweils eine Ecke auf, die nicht mit einem weiteren Tetraeder 3 verknüpft ist. An einer nicht verknüpften Ecke des Tetraeders 3 der zweiten Art und der vierten Art befindet sich ein endständiges Anion. Bevorzugt ist dieses Anion ein Sauerstoffanion.
Die Tetraeder 3 der ersten Art, der zweiten Art und der dritten Art bilden Fünfer-Ringe 4 aus. Ein Fünfer-Ring 4 umfasst zwei Tetraeder 3 der ersten Art, zwei Tetraeder 3 der zweiten Art und einen Tetraeder 3 der dritten Art. Die Tetraeder 3 der unterschiedlichen Arten in einem Fünfer-Ring 4 sind so angeordnet, dass keine zwei Tetraeder 3 der gleichen Art direkt miteinander verknüpft sind. Die Fünfer-Ringe 4 sind über die Tetraeder 3 der ersten Art und der zweiten Art miteinander verknüpft, sodass sich Stränge 5 aus Fünfer-Ringen 4 ausbilden. Die Tetraeder 3 der ersten Art und der zweiten Art sind also Teil von zwei Fünfer-Ringen 4. Die Stränge 5 erstrecken sich entlang der kristallographischen a-Achse.
Die Stränge 5 werden über die Tetraeder 3 der vierten Art miteinander verknüpft. So bildet sich ein Raumnetz aus den Tetraedern 3 aus, in dem sich Kanäle 6 entlang der kristallographischen c-Achse erstrecken. In den Kanälen 6 sind die La-Atome 7 angeordnet. Insbesondere besetzt das Aktivator-Element M, vorliegend Ce³⁺, die gleichen Punktlagen wie ein La-Atom 7. Die Kristallstruktur des Wirtsgitters 2 weist vorliegend zwei symmetrisch unterschiedliche Punktlagen für die La-Atome 7 auf.
In der 3 ist ein Emissionsspektrum E1 eines Leuchtstoffs 1 eines Ausführungsbeispiels mit der Summenformel LaSi_2-xLi_xN_3-3xO_1+3x: Ce³⁺ gezeigt. Das Emissionsspektrum E1 ist in einem Wellenlängenbereich von einschließlich 415 Nanometer bis einschließlich 690 Nanometer dargestellt. Vorliegend wurde der Leuchtstoff 1 mit einer Wellenlänge von etwa 405 Nanometer angeregt. Das Emissionsspektrum E1 des Leuchtstoffs 1 weist einen Emissionspeak mit einem Emissionsmaximum bei etwa 460 Nanometer auf. Der Leuchtstoff 1 emittiert also im cyanen Spektralbereich. Der Emissionspeak weist eine Halbwertsbreite von etwa 83 Nanometer auf. Eine Schwerpunktwellenlänge λ_cent der von dem Leuchtstoffs 1 ausgesandten elektromagnetischen Strahlung liegt bei etwa 485 Nanometer.
Die 4 zeigt das Emissionsspektrum E1 eines Leuchtstoffs 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel sowie ein Emissionsspektrum E-VB eines Vergleichsbeispiels eines Leuchtstoffs 1 mit der Summenformel Lu₃Al₅O₁₂: Ce³⁺ und die melanopische Kurve. Die Emissionsspektren E1 und E-VB und die melanopische Kurve sind in einem Wellenlängenbereich von einschließlich 390 Nanometer bis einschließlich 740 Nanometer dargestellt. Das Emissionsspektrum E1 des Leuchtstoffs 1 mit der Summenformel LaSi_2-xLi_xN_3-3xO_1+3x: Ce³⁺ zeigt einen größeren Überlapp mit der melanopischen Kurve M als das Emissionsspektrum E-VB des Leuchtstoffs 1 mit der Summenformel Lu₃Al₅O₁₂: Ce³⁺.
Schritte eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung eines Leuchtstoffs 1 sind schematisch in der 5 gezeigt. In einem ersten Verfahrensschritt S1 werden Edukte bereitgestellt. Vorliegend werden CeO₂, LaN, Si₃N₄ und Li₃N als Edukte eingesetzt. Zur Synthese von LaSi_2-xLi_xN_3-3xO_1+3x: Ce³⁺ werden beispielsweise die Edukte in den in Tabelle 3 zusammengefassten Einwaagen eingesetzt. Tabelle 3: Einwaagen zur Synthese von LaSi_2-xLi_xN_3-3xO_1+3x: Ce³⁺.

Edukt CeO ₂ LaN Si ₃ N ₄ Li ₃ N

Einwaage 0,02 g 0,5947 g 1,2935 g 0,0918 g
In einem zweiten Verfahrensschritt S2 werden die Edukte zu einem Eduktgemenge vermengt. Dies erfolgt beispielsweise in einem Handmörser, einer Mörsermühle, einer Kugelmühle oder einem Mehrachsmischer. Das Eduktgemenge wird anschließend in einen Tiegel, beispielsweise aus Wolfram, überführt.
In einem dritten Verfahrensschritt S3 wird das Eduktgemenge unter einer N₂-Atmosphäre oder einer N₂/H₂-Atmosphäre (95%/5%) erhitzt. Dabei wird insbesondere ein Temperaturprogramm durchlaufen, das eine Haltestufe bei etwa 700 °C aufweist. Bei dem Erhitzen werden eine maximale Temperatur von 1400 °C und ein maximaler Druck von 50 bar erreicht. Das Erhitzen erfolgt für eine Zeit von etwa 12 Stunden. Nach dem Erhitzen wird ein Glühkuchen erhalten. Der Glühkuchen wird abgekühlt und zerkleinert. Das Zerkleinern erfolgt beispielsweise in einem Handmörser, einer Mörsermühle oder einer Kugelmühle.
In der 6 ist eine schematische Schnittdarstellung eines strahlungsemittierenden Bauelements 8 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. Das strahlungsemittierende Bauelement 8 weist vorliegend einen Halbleiterchip 9 auf. Der Halbleiterchip 9 umfasst ein Substrat 11 und darauf angeordnet eine epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge 12. Die Halbleiterschichtenfolge 12 weist einen aktiven Bereich 12 auf, der im Betrieb des strahlungsemittierenden Bauelements elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs erzeugt. Die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs wird dann von dem Halbleiterchip 9 ausgesendet. Bei der elektromagnetischen Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs handelt es sich insbesondere um elektromagnetische Strahlung aus dem ultravioletten bis blauen Spektralbereich.
Dem Halbleiterchip 9 nachgeordnet ist ein Konversionselement 10. Das Konversionselement 10 umfasst einen Leuchtstoff 1 mit der Summenformel RED_ySi_2-x-yLi_xN_3-3x-yO_1+3x+y:M, insbesondere LaSi_2-xLi_xN_3-3xO_1+3x: Ce³⁺. Der Leuchtstoff 1 konvertiert die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines Emissionsspektrums. Die Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs und die Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung des Emissionsspektrums sind teilweise verschieden. Vorliegend weist das Emissionsspektrum einen Emissionspeak mit einem Emissionsmaximum im cyanen Spektralbereich auf.
Das Konversionselement 10 umfasst vorliegend neben dem Leuchtstoff 1 einen weiteren Leuchtstoff 14. Es ist jedoch ebenfalls möglich, beispielsweise für eine Anwendung in einer Einsatzfahrzeug-Beleuchtung, dass das Konversionselement 10 den Leuchtstoff 1 als einzige konvertierende Komponente aufweist. Der weitere Leuchtstoff 14 konvertiert die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines weiteren Emissionsspektrums, das zumindest teilweise verschieden zu dem Emissionsspektrum des Leuchtstoffs 1 ist.
Die 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
2: Wirtsgitter
3: Tetraeder
4: Fünfer-Ring
5: Strang
6: Kanal
7: La-Atom
8: strahlungsemittierendes Bauelement
9: Halbleiterchip
10: Konversionselement
11: Substrat
12: Halbleiterschichtenfolge
13: aktiver Bereich
14: weiterer Leuchtstoff
E1: Emissionsspektrum von LaSi_2-xLi_xN_3-3xO_1+3x:Ce³⁺
E-VB: Emissionsspektrum von Lu₃Al₅O₁₂ : Ce³⁺
M: melanopische Kurve
S1, S2, S3: Verfahrensschritte

Claims

Leuchtstoff (1) mit der Summenformel RED_ySi_2-x-yLi_xN_3-3x-yO_1+3x+y : M, wobei - RE ein Seltenerdelement ist, - D ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der dreiwertigen Elemente ist, - M ein Aktivator-Element oder eine Kombination von Aktivator-Elementen ist, und - 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 2 und x + y ≤ 2.
Leuchtstoff (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei - D ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe gebildet durch Al und Ga ist, und/oder - M ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe gebildet durch Ce und Eu ist.
Leuchtstoff (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leuchtstoff (1) die Summenformel LaSi_2-xLi_xN_3-3xO_1+3x: Ce³⁺ aufweist.
Leuchtstoff (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leuchtstoff (1) nach Anregung mit elektromagnetischer Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs aus dem ultravioletten bis blauen Spektralbereich elektromagnetische Strahlung mit einem Emissionsspektrum, das einen Emissionspeak mit einem Emissionsmaximum im cyanen Spektralbereich aufweist, aussendet.
Leuchtstoff (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Emissionspeak eine Halbwertsbreite im Bereich von einschließlich 70 Nanometer bis einschließlich 100 Nanometer aufweist.
Leuchtstoff (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine von dem Leuchtstoff (1) ausgesandte elektromagnetische Strahlung eine Schwerpunktwellenlängen λ_cent im Bereich von einschließlich 420 Nanometer bis einschließlich 530 Nanometer aufweist.
Leuchtstoff (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Wirtsgitter (2) des Leuchtstoffs (1) in einer orthorhombischen Raumgruppe kristallisiert.
Leuchtstoff (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - das Wirtsgitter (2) des Leuchtstoffs (1) Tetraeder (3) ausgewählt aus der Gruppe gebildet durch D(N,O)₄-Tetraeder, Si (N,O) ₄-Tetraeder, Li (N,O)₄-Tetraeder und Kombinationen davon umfasst, und - die Tetraeder (3) Fünfer-Ringe (4) ausbilden.
Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs (1) mit der Summenformel RED_ySi_2-x-yLi_xN_3-3x-yO_1+3x+y:M, wobei - RE ein Seltenerdelement ist, - D ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der vierwertigen Elemente ist, - M ein Aktivator-Element oder eine Kombination von Aktivator-Elementen ist, und - 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 2 und x + y ≤ 2, umfassend die Schritte - Bereitstellen von Edukten, - Vermengen der Edukte zu einem Eduktgemenge, und - Erhitzen des Eduktgemenges.
Strahlungsemittierendes Bauelement (8) mit: - einem Halbleiterchip (9), der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs aussendet, und - einem Konversionselement (10) mit einem Leuchtstoff (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, der elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines Emissionsspektrums konvertiert.