DE102022126575A1

DE102022126575A1 - Leuchtstoff, verfahren zur herstellung eines leuchtstoffs und strahlungsemittierendes bauelement

Info

Publication number: DE102022126575A1
Application number: DE102022126575.7A
Authority: DE
Inventors: Christiane Stoll; Juliane Kechele; Frauke Philipp; Simon Dallmeir; Markus Seibald
Original assignee: Ams Osram International GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2022-10-12
Filing date: 2022-10-12
Publication date: 2024-04-18
Also published as: WO2024078814A1

Abstract

Es wird ein Leuchtstoff (1) mit der allgemeinen Formel EA2D5-xExN8-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,- 0 ≤ x ≤ 5,- der Leuchtstoff (1) in einer monoklinen Raumgruppe kristallisiert, und- der Leuchtstoff (1) ein Elementarzellvolumen zwischen einschließlich 1850 Å3und einschließlich 2500 Å3aufweist.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 EA₂D_5-xE_xN_8-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,
- 0 ≤ x ≤ 5,
- der Leuchtstoff (1) eine Wirtsstruktur aufweist, die in einer monoklinen Raumgruppe kristallisiert, und
- der Leuchtstoff (1) ein Elementarzellvolumen zwischen einschließlich 1850 Å³ und einschließlich 2500 Å³ aufweist.

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 sowie Scandium.
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 insgesamt acht Anionen auf. Ein Teil der Stickstoffanionen kann in der Kristallstruktur des Leuchtstoffs durch Sauerstoffanionen ersetzt sein. Die Zahl der Sauerstoffanionen x kann ausgewählt sein aus 0 ≤ x ≤ 5. Mit anderen Worten kann die Zahl der Sauerstoffanionen x größer oder gleich null und kleiner oder gleich fünf sein. Die Zahl der Stickstoffanionen ergibt sich dann aus 8-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. Insbesondere weist der vorliegende Leuchtstoff acht Stickstoffanionen auf.
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.
Der Leuchtstoff umfasst ein Wirtsmaterial. Das Wirtsmaterial des Leuchtstoffs ist insbesondere kristallin, beispielsweise keramisch. Das Wirtsmaterial weist eine Wirtsstruktur auf. Die Wirtsstruktur 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 der Wirtsstruktur. Die Elemente EA, D, E, O und N besetzen darin jeweils festgelegte Plätze, sogenannte Punktlagen, der dreidimensionalen Elementarzelle der Wirtsstruktur. 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.
Aktivator-Elemente sind Fremdelemente, die in die Wirtsstruktur des Leuchtstoffs eingebracht werden. Die Wirtsstruktur 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 die Wirtsstruktur 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 wie beispielsweise Eu, Ce, Tb und Yb. Alternativ oder zusätzlich können Aktivator-Elemente ausgewählt sein aus der Gruppe gebildet durch Mn, Bi, Cr und Ni.
Zur Beschreibung der dreidimensionalen Elementarzelle der Wirtsstruktur 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. V entspricht hierbei dem Volumen der Elementarzelle.
Der Leuchtstoff kristallisiert in einer monoklinen Raumgruppe. Insbesondere kristallisiert der Leuchtstoff in der monoklinen Raumgruppe Cc (Nr. 9).
Der Leuchtstoff weist ein Elementarzellvolumen zwischen einschließlich 1850 Å³ und einschließlich 2500 Å³ auf. Insbesondere weist der Leuchtstoff ein Elementarzellvolumen zwischen einschließlich 1950 Å³ und einschließlich 2385 Å³, bevorzugt zwischen einschließlich 2060 Å³ und einschließlich 2275 Å³, beispielsweise von 2168 Å³ auf.
Ein solcher Leuchtstoff kann - je nach Anwendung - alleine oder zusammen mit weiteren Leuchtstoffen in Leuchtdioden (LEDs) zur Erzeugung von weißem, cyanfarbenem, blaugrünem, grünem oder grüngelbem Licht eingesetzt werden, beispielsweise zur Erzeugung einer biologisch wirksamen Beleuchtung allgemein bezeichnet als Human Centric Lighting.
Lichtquellen zeigen neben ihrer Beleuchtungsfunktion auch eine Wechselwirkung mit dem menschlichen Körper. Eine gezielte Optimierung des Spektrums einer Lichtquelle kann die physiologische Wirkung des Lichts auf den Menschen verbessern. Derartige nicht-visuelle Effekte werden häufig unter dem Sammelbegriff Human Centric Lighting (HCL) zusammengefasst. Ein wichtiges Teilgebiet des Human Centric Lightings umfasst die Wirkung einer Lichtquelle auf die Steuerung des Tag- und Nachtrhythmus, insbesondere durch Einfluss auf die Melatonin-Produktion. Vereinfacht ausgedrückt gelten folgende Zusammenhänge: Ein hoher Anteil von blaugrünem oder cyanfarbenem Licht im Spektrum einer Lichtquelle vermindert die Melatoninproduktion, sodass der Körper sich im „Tagmodus“ befindet und die Aktivität erhöht ist. Ein geringer Anteil von blaugrünem oder cyanfarbenem Licht im Spektrum einer Lichtquelle erhöht die Melatoninproduktion, sodass der Körper sich im „Abendmodus“ befindet und die Aktivität verringert ist.
Beispielsweise kann eine erhöhte Exposition mit blaugrünem oder cyanfarbenem Licht in den Abendstunden zur Erhöhung der Aufmerksamkeit und Reduktion der Müdigkeit bei Arbeiten am Abend oder in der Nacht beitragen.
Zur Beschreibung des Anteils von blaugrünem oder cyanfarbenem Licht im Spektrum einer Lichtquelle kann die Kenngröße MER (engl. melanopic efficacy of radiation) verwendet werden. Die melanopische Lichtausbeute MER beschreibt das Verhältnis des melanopisch wirksamen Anteils des Spektrums bezogen auf das photopisch bewertete Beleuchtungslevel einer Lichtquelle. Zur Bewertung des melanopisch wirksamen Anteils der Strahlung wird der Überlapp mit dem melanopischen Wirkungsspektrum s_mel von Melatonin berechnet. Dabei führen Lichtquellen mit hohem MER, also einem hohen Blaugrün/Cyan-Anteil im Spektrum, zu erhöhter Aktivität, während Lichtquellen mit niedrigem MER, also niedrigem Blaugrün/Cyan-Anteil im Spektrum, zu erniedrigter Aktivität führen.
Beispielsweise weist die Emission des hier beschriebenen Leuchtstoffs einen hohen Überlapp mit dem melanopischen Wirkungsspektrum s'',_i von Melatonin auf und eignet daher vorteilhafterweise zur Erzeugung von Licht mit einem hohen Blauanteil zur Unterdrückung der Melatoninproduktion.
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 Ca oder besteht daraus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst D Si oder besteht daraus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst E Al oder besteht daraus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist RE ein Element oder eine Kombination von Elementen ausgewählt aus einer Gruppe, die aus der Gruppe der seltenen Erden, Mn, Bi, Cr und Ni 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, Tm, Mn, Bi, Cr und Ni 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 umfasst RE Ce oder besteht aus Ce. Leuchtstoffe, die mit Ce³⁺ aktiviert werden, weisen niedrigere Quenchingeffekte bei hoher Bestrahlungsstärke im Vergleich zu Leuchtstoffen, die mit Eu²⁺ aktiviert werden, auf. Das liegt vor allem an der deutlich niedrigeren Lebensdauer des angeregten Zustands für Ce³⁺. Die typische Lebensdauer des angeregten Zustands eines Ce³⁺-Ions während der Konversion beträgt üblicherweise unter 100 ns, während typische Lebensdauern für den angeregten Zustand von Eu²⁺ im Bereich von 1-10 µs liegen. Daher kann es insbesondere bei hohen Bestrahlungsstärken vorteilhaft sein, Ce³⁺-aktivierte Leuchtstoffe einzusetzen.
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 EA₂D_5-xE_xN_{8_x}O_x:RE kann demnach auch folgendermaßen ausgedrückt werden: (EA_1-tRE_t) ₂D_5- _xE_xN_8-xO_x, wobei t zwischen einschließlich 0,0001 und einschließlich 0,1 liegt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff einen Gitterparameter zwischen einschließlich 30 Å und einschließlich 50 Å auf, insbesondere zwischen einschließlich 35 Å und einschließlich 45 Å, bevorzugt zwischen einschließlich 37,5 Å und einschließlich 42,5 Å, beispielsweise von 39,974 Å.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt der Gitterparameter a im Bereich von einschließlich 30 Å bis einschließlich 50 Å, insbesondere zwischen einschließlich 35 Å und einschließlich 45 Å, der Gitterparameter b im Bereich von einschließlich 1 Ä bis einschließlich 10 Å, insbesondere zwischen einschließlich 4 Å und einschließlich 7 Å, und der Gitterparameter c im Bereich von einschließlich 5 Å bis einschließlich 15 Å, insbesondere zwischen einschließlich 8 Å und einschließlich 12 Å. 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 85° bis einschließlich 105°, insbesondere zwischen einschließlich 90° und einschließlich 100°, bevorzugt zwischen einschließlich 92° und einschließlich 97°. Insbesondere liegen die Gitterparameter für den Leuchtstoff in der monoklinen Raumgruppe Cc bei a ungefähr gleich 39,974 Å, b ungefähr gleich 5,613 Å, c ungefähr gleich 9,692 Å und die Winkel α und γ gleich 90° und der Winkel β ungefähr gleich 94,57°.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff eine Wirtsstruktur auf, die eckenverknüpfte D(O,N)₄-Tetraeder umfasst, die innerhalb einer Ebene einer Elementarzelle in Form von Schichten angeordnet sind.
Die D(O,N)₄-Tetraeder werden in Abhängigkeit der Zusammensetzung des Leuchtstoffs jeweils von O-Atomen und/oder N-Atomen aufgespannt. Die D(O,N)₄-Tetraeder können also von vier O-Atomen oder vier N-Atomen oder einer Mischung aus insgesamt vier O- und N-Atomen aufgespannt werden. Die D(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 O-Atome und/oder die N-Atome der D(O,N)₄-Tetraeder spannen den Tetraeder auf, wobei sich in der Tetraederlücke des aufgespannten Tetraeders das D-Atom befindet. In anderen Worten sind die Tetraeder um das D-Atom zentriert. Das D-Atom ist tetraederförmig von vier O-Atomen und/oder vier N-Atomen umgeben. Insbesondere haben alle Atome, die den Tetraeder aufspannen, einen ähnlichen Abstand zu dem D-Atom, das sich in der Tetraederlücke befindet.
Die D(O,N)₄-Tetraeder sind miteinander über jeweils eine gemeinsame Ecke eckenverknüpft. Mit anderen Worten ist das O-Atom oder das N-Atom, das die D(O,N)₄-Tetraeder miteinander verknüpft, Teil von beiden D(O,N)₄-Tetraedern.
Die miteinander eckenverknüpften D(O,N)₄-Tetraeder sind innerhalb einer Ebene der Elementarzelle, beispielsweise parallel zur bc-Ebene, als Schichten angeordnet. Entlang einer der die Ebene aufspannenden, kristallographischen Achsen, beispielsweise der kristallographischen b-Achse, betrachtet, sind die Schichten als Stränge aus eckenverknüpften D(O,N)₄-Tetraedern ausgebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind benachbarte Schichten über zumindest ein D(O,N)₄-Tetraeder, insbesondere mehrere D(O,N)₄-Tetraeder, das nicht Bestandteil der Schichten ist, miteinander verknüpft. Insbesondere ist jedes die Schichten verknüpfende D(O,N)₄-Tetraeder mit jeweils zwei D(O,N)₄-Tetraedern aus zwei benachbarten Schichten eckenverknüpft.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind innerhalb der Elementarzelle sechs Schichten vorhanden. Mit anderen Worten umfasst eine Elementarzelle sechs Schichten aus miteinander eckenverknüpften D(O,N)₄-Tetraedern.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Schichten hochkondensiert. Hochkondensiert bedeutet hier und im Folgenden, dass innerhalb einer Schicht keine Lücken vorhanden sind, in denen ein eckenverknüpftes D(O,N)₄-Tetraeder sitzen könnte. Mit anderen Worten fehlen innerhalb der Schicht keine eckenverknüpften D(O,N)₄-Tetraeder. Insbesondere sind alle D(O,N)₄-Tetraeder innerhalb einer Schicht über drei ihrer vier Ecken eckenverknüpft.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die D(O,N)₄-Tetraeder innerhalb einer Schicht in miteinander verknüpften Ketten angeordnet. Innerhalb einer Kette ist ein D(O,N)₄-Tetraeder mit zwei weiteren D(O,N)₄-Tetraedern über jeweils eine Ecke eckenverknüpft.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform verlaufen die Ketten innerhalb einer Schicht in einem Zickzack-Muster. Mit anderen Worten sind die D(O,N)₄-Tetraeder einer Kette zickzackförmig angeordnet. Insbesondere sind die Ketten vierer-Einfachketten. Das bedeutet, dass sich die Ketten aus sich wiederholenden Einheiten aus je vier D(O,N)₄-Tetraedern zusammensetzen, wobei jede der sich wiederholenden Einheiten nicht linear verläuft, sondern einen Versatz aufweist, durch den der zickzackförmige Verlauf der Ketten entsteht.
Insbesondere setzt sich eine Schicht aus kondensierten vierer-Einfachketten zusammen. Mit anderen Worten sind die vierer-Einfachketten einer Schicht miteinander verknüpft. Ketten benachbarter Schichten können innerhalb der Elementarzelle eine unterschiedliche oder dieselbe Ausrichtung des zickzackförmigen Verlaufs aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform unterscheidet sich die Orientierung der D(O,N)₄-Tetraeder von benachbarten Ketten. Insbesondere sind die D(O,N)₄-Tetraeder einer Kette jeweils in dieselbe Richtung senkrecht zu der Ebene der Schicht, in der sich die Kette befindet, orientiert. Diese Orientierung weist dabei für benachbarte Ketten unterschiedliche Richtungen senkrecht zu der Ebene der Schicht auf. Mit anderen Worten wechselt sich in der Aufsicht auf eine Schicht eine Kette mit nach vorne gerichteten D(O,N)₄-Tetraedern mit einer Kette mit nach hinten gerichteten D(O,N)₄-Tetraedern ab.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind jeweils drei Schichten paarweise symmetrieäquivalent. Mit anderen Worten sind die ersten drei benachbarte Schichten einer Elementarzelle mit einer Symmetrieoperation in die zweiten drei benachbarten Schichten der Elementarzelle überführbar. Entlang der kristallographischen b-Achse betrachtet können die Schichten als Stränge bezeichnet werden. Insbesondere weist einer der drei benachbarten Stränge eine Ausrichtung in eine Richtung auf, während die anderen beiden der drei benachbarten Stränge eine Ausrichtung in die entgegengesetzte Richtung aufweisen. Mit anderen Worten ergibt sich für die sechs Stränge einer Elementarzelle eine Ausrichtungsreihenfolge des Musters ABAABA und alle äquivalenten Abfolgen wie BAABAA oder AABAAB, wobei A und B für die Ausrichtungen der Stränge stehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform bilden die D(O,N)₄-Tetraeder Zwischenräume aus, wobei sich zumindest in einem Zwischenraum ein EA-Atom befindet. Insbesondere ist ein Zwischenraum ein Hohlraum, der zumindest teilweise von D(O,N)₄-Tetraedern umgeben ist. Insbesondere können EA-Atome auf ihren Punktlagen durch RE-Atome ersetzt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff einen Absorptionsbereich zumindest teilweise im ultravioletten bis blauem Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums, insbesondere zwischen einschließlich 250 nm und einschließlich 470 nm, bevorzugt zwischen einschließlich 400 nm und einschließlich 470 nm, auf. Beispielsweise absorbiert der Leuchtstoff violette elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von ungefähr 408 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 465 nm und einschließlich 515 nm, insbesondere zwischen einschließlich 484 nm und einschließlich 494 nm, beispielsweise von 489 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 gesamten emittierten elektromagnetischen Strahlung (= Emissionsspektrum) 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 cyanfarbene bis blaugrüne elektromagnetische Strahlung emittieren.
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 400 nm und einschließlich 560 nm, insbesondere zwischen einschließlich 450 nm und einschließlich 510 nm, beispielsweise bei 477 nm, auf. Das Emissionsmaximum ist die Wellenlänge λ_peak, bei der die Emissionskurve des Leuchtstoffs ihren maximalen Wert erreicht. Mit anderen Worten kann der Leuchtstoff Strahlung im cyanfarbenen und blaugrünen Wellenlängenbereich zur Verfügung stellen und damit zu effizienten und günstigen Lösungen für die Anwendung beitragen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist eine von dem Leuchtstoff, insbesondere nach Anregung mit elektromagnetischer Strahlung, ausgesandte elektromagnetische Strahlung eine spektrale Halbwertsbreite zwischen einschließlich 50 nm und einschließlich 150 nm, insbesondere zwischen einschließlich 90 nm und einschließlich 110 nm, beispielsweise von 100 nm, auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Farbort einer von dem Leuchtstoff, insbesondere nach Anregung mit elektromagnetischer Strahlung mit einer Anregungswellenlänge von 408 nm, ausgesandten elektromagnetischen Strahlung bei einem CIE-x-Wert zwischen einschließlich 0,165 und einschließlich 0,225 und bei einem CIE-y-Wert zwischen einschließlich 0,275 und einschließlich 0,335 im xy-CIE-Normfarbsystem. Insbesondere liegt der Farbort der von dem Leuchtstoff ausgesandten elektromagnetischen Strahlung bei einem CIE-x-Wert zwischen einschließlich 0,185 und einschließlich 0,205 und bei einem CIE-y-Wert zwischen einschließlich 0,295 und einschließlich 0,315. Beispielsweise liegt der Farbort der von dem Leuchtstoff ausgesandten elektromagnetischen Strahlung bei CIE-x 0,193 und CIE-y 0,304.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Farbort einer von dem Leuchtstoff, insbesondere nach Anregung mit elektromagnetischer Strahlung mit einer Anregungswellenlänge von 408 nm, ausgesandten elektromagnetischen Strahlung bei einem CIE-u'-Wert zwischen einschließlich 0,095 und einschließlich 0,155 und bei einem CIE-v'-Wert zwischen einschließlich 0,405 und einschließlich 0,465 im CIE-LUV-Farbraumsystem. Insbesondere liegt der Farbort der von dem Leuchtstoff ausgesandten elektromagnetischen Strahlung bei einem CIE-u'-Wert zwischen einschließlich 0,115 und einschließlich 0,135 und bei einem CIE-v'-Wert zwischen einschließlich 0,425 und einschließlich 0,445. Beispielsweise liegt der Farbort der von dem Leuchtstoff ausgesandten elektromagnetischen Strahlung bei CIE-u` 0,123 und CIE-v` 0,437.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine melanopische Lichtausbeute (engl. melanopic efficacy of radiation, MER) des Leuchtstoffs zwischen einschließlich 490 blm/W und einschließlich 530 blm/W, insbesondere zwischen einschließlich 500 blm/W und einschließlich 520 blm/W, beispielsweise bei 511 blm/W. Die melanopische Lichtausbeute beschreibt das Verhältnis des melanopisch wirksamen Anteilsspektrums bezogen auf das photopisch bewertete Beleuchtungslevel einer Lichtquelle. Lichtquellen mit einem hohen MER führen vorteilhafterweise zu einer verminderten Melatoninproduktion und einer erhöhten Aktivität. Der hier beschriebene Leuchtstoff weist somit vorteilhafterweise eine hohe melanopische Lichtausbeute auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff einen melanopischen Nutzeffekt zwischen einschließlich 0,585 und einschließlich 0,645, insbesondere zwischen einschließlich 0,605 und einschließlich 0,625, beispielsweise von 0,615 auf. Der melanopische Nutzeffekt lässt sich durch die Berechnung des Integrals des Emissionsspektrums multipliziert mit der melanopischen Wirkungsfunktion in dem Wellenlängenbereich von 380 nm bis 780 nm geteilt durch das Integral des Emissionsspektrums in dem Wellenlängenbereich von 380 nm bis 780 nm multipliziert mit dem Effizienzpeak des Anregungsspektrums von Melatonin bestimmen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die Formel EA₂D₅N₈:RE auf. Mit anderen Worten ist x=0. Gemäß einer Ausführungsform ist dabei RE Ce³⁺. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist dabei RE Eu²⁺.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die Formel Ca₂Si₅N₈:RE auf. Mit anderen Worten ist EA Ca, D Si und x=0. Gemäß einer Ausführungsform ist dabei RE Ce³⁺. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist dabei RE Eu²⁺. Der Leuchtstoff der Formel Ca₂Si₅N₈:RE, insbesondere der Formel Ca₂Si₅N₈:Ce³⁺, ist vorteilhafterweise für die Konversion von blauer Primärstrahlung in Strahlung im cyanfarbenen bis blaugrünen Wellenlängenbereich geeignet. Der Leuchtstoff der Formel Ca₂Si₅N₈:RE kann insbesondere bei einer Anregung mit 408 nm im Bereich des Human Centric Lightings eingesetzt werden, um die Melatoninproduktion zu unterdrücken.
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 EA₂D_5-xE_xN_8-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,
- 0 ≤ x ≤ 5,
- der Leuchtstoff in einer monoklinen Raumgruppe kristallisiert, und
- der Leuchtstoff ein Elementarzellvolumen zwischen einschließlich 1850 Å³ und einschließlich 2500 Å³ aufweist, umfasst das Verfahren die Schritte
- - 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 in einer Glovebox unter Schutzgasatmosphäre. Das Eduktgemenge kann anschließend in einen Tiegel, beispielsweise aus Wolfram, überführt werden.
Insbesondere ist es möglich, dass durch das Verfahren ein Gemenge hergestellt wird, das den Leuchtstoff umfasst oder daraus besteht. Weitere Bestandteile des Gemenges 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, D und RE umfasst. Bevorzugt sind die Edukte ausgewählt aus einer Gruppe, die die Oxide und Nitride von EA, D und RE umfasst. Beispielsweise werden Ca₃N₂, GaN, Si₃N₄ und CeO₂ als Edukte eingesetzt. Zudem kann LiBF₄ als Flussmittel zugesetzt werden. Insbesondere eignen sich diese Edukte zur Herstellung eines Leuchtstoffs der Formel Ca₂Si₅N₈:Ce³⁺. Alternativ können Ca₃N₂, Si₃N₄ und CeO₂ als Edukte sowie LiBF₄ als Flussmittel zur Herstellung eines Leuchtstoffs der Formel Ca₂Si₅N₈:Ce³⁺ eingesetzt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Eduktgemenge auf eine Temperatur zwischen einschließlich 1600 °C und einschließlich 2000 °C, insbesondere zwischen einschließlich 1750 °C und einschließlich 1950 °C, bevorzugt zwischen einschließlich 1800 °C und einschließlich 1900 °C, beispielsweise auf 1850 °C erhitzt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Eduktgemenge bei einem Druck zwischen einschließlich 1 bar und einschließlich 40 bar, insbesondere zwischen einschließlich 10 bar und einschließlich 30 bar, beispielsweise von 20 bar erhitzt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Eduktgemenge unter einer N₂-Atmosphäre erhitzt. Durch ein Erhitzen des Eduktgemenges unter einer N₂-Atmosphäre erfolgt die Synthese des Leuchtstoffs unter reduzierenden Bedingungen. Dadurch wird eine Reduktion der Edukte ermöglicht, beispielsweise eine Reduktion von RE⁴⁺ zu RE³⁺.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Eduktgemenge zwischen einschließlich 1 Stunde und einschließlich 24 Stunden, insbesondere zwischen einschließlich 2 Stunden und einschließlich 10 Stunden, bevorzugt zwischen einschließlich 3 Stunden und einschließlich 6 Stunden, beispielsweise für 4 Stunden erhitzt.
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 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).
Insbesondere kann das Konversionselement neben dem zuvor beschriebenen Leuchtstoff einen oder mehrere weitere Leuchtstoffe aufweisen.
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 470 nm, insbesondere zwischen einschließlich 400 nm und einschließlich 470 nm. Mit anderen Worten emittiert der Halbleiterchip elektromagnetische Strahlung im ultravioletten bis blauen Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums. Beispielsweise emittiert der Halbleiterchip Primärstrahlung von 408 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform emittiert der Leuchtstoff im cyanfarbenen bis blaugrünen Spektralbereich, insbesondere nach Anregung mit der Primärstrahlung des Halbleiterchips, bevorzugt nach Anregung mit einer Wellenlänge oder einem Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 250 nm und einschließlich 470 nm, insbesondere zwischen einschließlich 400 nm und einschließlich 470 nm. Mit anderen Worten weist die Sekundärstrahlung Wellenlängen im cyanfarbenen bis blaugrünen Spektralbereich auf. Insbesondere emittiert der Leuchtstoff Strahlung zwischen einschließlich 380 nm und einschließlich 800 nm, beispielsweise zwischen einschließlich 400 nm und einschließlich 560 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 roten Spektralbereich. Mit anderen Worten umfasst der dritte Wellenlängenbereich Wellenlängen, die langwelliger sind als die Wellenlängen des zweiten Wellenlängenbereichs. Beispielsweise umfasst der weitere Leuchtstoff dazu Granate wie YAG, YAGaG, LuAG und/oder LuAGaG. Alternativ oder zusätzlich kann der weitere Leuchtstoff Nitridleuchtstoffe wie Sr₂Si₅N₈, Ba₂Si₅N₈, (Ba, Sr) ₂Si₅N₈, CaAlSiN₃, (Ca, Sr) AlSiN₃, Sr (Ca, Sr) Si₂Al₂N₆, β-SiAlON, SrLiAl₃N₄ und SrLi₂Al₂N₂O₂ umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann der weitere Leuchtstoff KSF (K₂SiF₆) umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann der weitere Leuchtstoff Quantendots umfassen. Durch Verwendung eines weiteren Leuchtstoffs, der im grünen, gelben und/oder roten Spektralbereich emittiert, in Kombination mit einem Leuchtstoff der allgemeinen Formel EA₂D_3-xE_xN_8-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 weitere Leuchtstoff (Ba, Sr) ₂Si₅N₈:Eu²⁺. (Ba, Sr) ₂Si₅N₈:Eu²⁺ emittiert im roten Wellenlängenbereich. In Kombination mit einem Leuchtstoff der allgemeinen Formel EA₂D₅N_8-xO_x:RE, insbesondere mit dem Leuchtstoff Ca₂Si₅N₈:Ce³⁺, kann das strahlungsemittierende Bauelement bei Anregung mit violetter Primärstrahlung, beispielsweise mit einer Anregungswellenlänge von 408 nm, warmweißes Mischlicht emittieren. Insbesondere weist das warmweiße Mischlicht eine Farbtemperatur (engl. correlated color temperature, CCT) im Bereich von einschließlich 2500 K bis einschließlich 6000 K, beispielsweise von 4074 K, einen Farbwiedergabeindex (engl. color rendering index, CRI) von größer oder gleich 75, beispielsweise von 80, und einen MER im Bereich von einschließlich 240 blm/W und einschließlich 270 blm/W, beispielsweise von 257 blm/W, auf. Somit weist die Emission des strahlungsemittierenden Bauelements einen hohen Anteil von cyanfarbenem bis blaugrünem Licht auf. Beispielsweise kann eine erhöhte Exposition mit blaugrünem oder cyanfarbenem Licht in den Abendstunden zur Erhöhung der Aufmerksamkeit und Reduktion der Müdigkeit bei Arbeiten am Abend oder in der Nacht beitragen. Das strahlungsemittierende Bauelement kann aufgrund einer hohen spektralen Effizienz (engl. luminous efficacy of radiation, LER) bei gleichzeitig guter Farbwiedergabe gemessen beispielsweise in Form des Farbwiedergabeindex CRI (engl. color rendering index) und einem hohen Anteil von cyanfarbenem bis blaugrünem Licht vorteilhafterweise im Human Centric Lighting zur Erhöhung der Aufmerksamkeit und Reduktion der Müdigkeit bei Arbeiten am Abend und in der Nacht verwendet werden.
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 EA₂D₅N_8-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 EA₂D₅N_8-xO_x:RE in dem Konversionselement aufweist, kann beispielsweise cyanfarbene bis blaugrüne Strahlung emittieren. Ein solches Bauelement ist vorteilhafterweise für den Einsatz als cyanfarben oder blaugrün emittierende LED geeignet, die in Kombination mit einer weiß emittierenden LED verwendet werden kann, um weißes Licht mit einem einstellbaren Cyananteil zu erhalten, beispielsweise für Anwendungen im Human Centric Lighting.
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 Licht, das sich aus Primärstrahlung im violetten Spektralbereich und Sekundärstrahlung im cyanfarbenen bis blaugrünen 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 cyanfarbenes bis blaugrünes Licht ohne Violettanteil.
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 eine Sekundärelektronenaufnahme eines Einkristalls des Leuchtstoffs gemäß einem Ausführungsbeispiel,
die 3 bis 5 zeigen Ausschnitte aus verschiedenen Blickrichtungen der Kristallstruktur des Wirtsmaterials des Leuchtstoffs gemäß jeweils einem Ausführungsbeispiel,
6 zeigt einen Ausschnitt einer Kristallstruktur eines Wirtsmaterials eines Vergleichsbeispiels,
7 zeigt jeweils ein Emissionsspektrum des Leuchtstoffs gemäß einem Ausführungsbeispiel und eines Vergleichsbeispiels,
8 zeigt ein Emissionsspektrum des Leuchtstoffs gemäß einem Ausführungsbeispiel und das melanopische Wirkungsspektrum s",_i von Melatonin,
9 zeigt ein strahlungsemittierendes Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel,
10 zeigt ein simuliertes Emissionsspektrum gemäß einem Ausführungsbeispiel,
11 zeigt ein Emissionsspektrum gemäß einem Vergleichsbeispiel, und
12 zeigt den prozentualen Vergleich des MER eines Ausführungsbeispiels und eines Vergleichsbeispiels.

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 EA₂D_5-xE_xN_8-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, 0 ≤ x ≤ 5, der Leuchtstoff in einer monoklinen Raumgruppe kristallisiert und der Leuchtstoff ein Elementarzellvolumen zwischen einschließlich 1850 Å³ und einschließlich 2500 Å³ aufweist.
Die Synthese eines hier beschriebenen Leuchtstoffs 1 wird anhand des Ausführungsbeispiels Ca₂Si₅N₈:Ce³⁺ erläutert: Die Edukte Ca₃N₂, GaN, Si₃N₄, CeO₂ und LiBF₄ wurden bereitgestellt und miteinander vermengt. Beispielsweise erfolgt das Vermengen der Edukte in einer Glovebox unter Schutzgasatmosphäre. Das Eduktgemenge wurde anschließend in einen Tiegel, beispielsweise aus Wolfram, überführt und anschließend unter erhöhtem Stickstoffdruck von 20 bar bei 1850 °C für 4 Stunden zur Reaktion gebracht.
Tabelle 1 zeigt die Einwaagen für die Edukte für die Herstellung des Ausführungsbeispiels Ca₂Si₃N₈:Ce³⁺ des Leuchtstoffs 1. Der Leuchtstoff 1 mit der Formel Ca₂Si₅N₈:Ce³⁺ wurde in einem Phasengemenge in Form einzelner Kristalle erhalten. Tabelle 1

Substanz Einwaage / mg Stoffmenge / mmol

Ca₃N₂ 91 0, 61

GaN 153 1,83

Si₃N₄ 86 2,13

CeO₂ 2 0, 01

LiBF₄ 1 0, 01
zeigt einen Schwarz-Weiß-Kontrast erzeugt durch die Detektion von Sekundärelektronen in einem Rasterelektronenmikroskop (Sekundärelektronenaufnahme) eines Einkristalls des Ausführungsbeispiels Ca₂Si₃N₈:Ce³⁺ des Leuchtstoffs 1. Energiedisperse röntgenspetroskopische Aufnahmen (engl. energy dispersive x-ray spectroscopy, EDX) dieses Einkristalls schließen den Einbau von Gallium aus. Es ergibt sich eine Zusammensetzung der Kationen von Ca zu Si von 1,96:5.

Die Struktur des Ausführungsbeispiels Ca₂Si₃N₈:Ce³⁺ des Leuchtstoffs 1 wurde mittels Einkristallröntgenbeugung bestimmt. Der Leuchtstoff 1 kristallisiert im monoklinen Kristallsystem in der Raumgruppe Cc (Nr. 9) mit den Gitterparametern a = 39,9736(7) Å, b = 5,6127(1) Å, c = 9,6919(2) Å, β = 94,567(1)° und einem Elementarzellvolumen V = 2167,57(7) Å³. Weitere kristallographische Daten des Ausführungsbeispiels Ca₂Si₅N₈:Ce³⁺ des Leuchtstoffs 1 sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die Lageparameter für die Atome des Ausführungsbeispiels Ca₂Si₃N₈:Ce³⁺ des Leuchtstoffs 1 sind in Tabelle 3 aufgeführt. Tabelle 2

Summenformel	Ca₂Si₅N₈:Ce³⁺
Formelmasse / gmol-1	332, 69
Z	12
Kristallsystem	monoklin
Raumgruppe	Cc (Nr. 9)
Gitterparameter
a / Å	39, 9736 (7)
b / Å	5, 6127 (1)
c / Å	9, 6919 (2)
β / °	94,567 (7)
V / Å³	2167, 57 (7)
kristallografische Dichte ρ / g cm-3	2,039
T / K	296 (2)
Diffraktometer	Bruker D8 Quest
Strahlung	CuKα
Messbereich
gemessene / unabhängige Reflexe	39267 / 4218
gemessener reziproker Raum	-48<h<48, -6<k<6, -11<1<11
R_all/wR_ref	4,63%/12,62%
GooF	1,113

Tabelle 3

Name	Atom -typ	Wyck off-Lage	x	y	Z	U_ani
Ca01	Ca	4a	0,66719(6)	1,7583 (5)	0,5651(2)	0,0033(5)
Ca02	Ca	4a	0,50025(6)	-0,2525(5)	0,7333(3)	0,0055(5)
Ca03	Ca	4a	0,33381(6)	-0,7567(5)	0,4009(3)	0,0070(5)
Ca04	Ca	4a	0,46294(5)	0,7348(5)	0,3597(3)	0,0053(5)
Ca05	Ca	4a	0,29645(6)	0,2402(5)	0,0248(3)	0,0066(5)
Ca06	Ca	4a	0,62999(6)	1,2384(5)	0,6949(3)	0,0062(5)
Si07	Si	4a	0,24960(8)	-0,2909(6)	0,0514(3)	0,0028(8)
Si08	Si	4a	0,74935(8)	1,4971(6)	0,7939(3)	0,0019(7)
Si09	Si	4a	0,41755(8)	0,2071(6)	0,4026(5)	0,0006(7)
Si0A	Si	4a	0,41464(8)	0,4959(6)	0,1393(4)	0,0012(7)
Si0B	Si	4a	0,58127(9)	0,0012(6)	0,9721(4)	0,0007(7)
Si0C	Si	4a	0,58422(8)	0,7103(6)	0,7353(5)	0,0009(7)
Si0D	Si	4a	0,31567(10)	-0,1961(4)	0,2117(4)	0,0009(5)
Si0E	Si	4a	0,64897(10)	0,8070(4)	0,8792(4)	0,0008(5)
Si0F	Si	4a	0,48248(7)	0,3062(6)	0,5447(3)	0,0019(7)
Si0G	Si	4a	0,71418(7)	1,2899(6)	0,5303(3)	0,0023(8)
Si0H	Si	4a	0,71588(8)	1,0014(6)	0,7906(3)	0,0016(8)
Si0I	Si	4a	0,54839(8)	0,2102(6)	0,7147(5)	-0,0002(7)
Si0J	Si	4a	0,54794(8)	0,5050(6)	0,4679(4)	0,0002(6)
Si0K	Si	4a	0,38176(8)	-0,2922(6)	0,3806(5)	0,0011(7)
Si0L	Si	4a	0,38102(8)	0,0034(6)	0,1357(4)	0,0004(7)
N00M	N	4a	0,5061(3)	0,492(2)	0,4504(11)	0,004(2)
N00N	N	4a	0,6741(3)	0,994(2)	0,7949(13)	0,009(3)
N00O	N	4a	0,3392(3)	-0,010(2)	0,1197(11)	0,004(2)
N00P	N	4a	0,7225(4)	1,023(2)	0,6097(15)	0,032(3)
N00Q	N	4a	0,5070(3)	0,156(2)	0,6760(12)	0,006(2)
N00R	N	4a	0,3406(3)	-0,350(2)	0,3377(13)	0,009(2)
N00S	N	4a	0,6723(3)	1,3492(19)	0,5079(11)	0,005(2)
N00T	N	4a	0,5618(2)	0,4804(15)	0,6419(9)	0,0025(18)
N00U	N	4a	0,5642(2)	0,2540(16)	0,3861(9)	0,0040(18)
N00V	N	4a	0,5610(2)	0,2417(15)	0,8886(8)	0,0006(17)
N00W	N	4a	0,3943(2)	0,2588(15)	0,0560(8)	0,0001(16)
N00X	N	4a	0,7353(4)	1,242(3)	0,8717(15)	0,035(3)
N0Y	N	4a	0,7337(3)	0,750(3)	0,8709(13)	0,024(3)
N00Z	N	4a	0,7361(3)	1,512(2)	0,6147(15)	0,027(3)
N010	N	4a	0,3974(2)	-0,2454(16)	0,0535 (9)	0,0028(18)
N011	N	4a	0,3951(2)	-0,0192(16)	0,3098(9)	0,0036(18)
N013	N	4a	0,2911(3)	-0,3519(19)	0,0887(10)	0,003(2)
N014	N	4a	0,5742(2)	-0,0099(14)	0,6476(8)	0,0001(16)
N015	N	4a	0,6260(2)	0,646(2)	0,7536(11)	0,004(2)
N016	N	4a	0,4590(3)	0,134(2)	0,4236(10)	0,0023(19)
N017	N	4a	0,4078(2)	0,4904(14)	0,3166(9)	0,0013(17)
N018	N	4a	0,4567(3)	0,503(2)	0,6283(12)	0,004(2)
N019	N	4a	0,7914(3)	1,511(2)	0,8071(12)	0,006(2)
N020	N	4a	0,6231(3)	0,997(2)	0,9629(11)	0,004(2)

Die Kristallstruktur des Ausführungsbeispiels Ca₂Si₅N₈:Ce³⁺ des Leuchtstoffs 1 ist in den 3 bis 5 gezeigt. 3 zeigt die Kristallstruktur entlang der kristallographischen b-Achse. Die 4A-F zeigen die sechs hochkondensierten Schichten der Kristallstruktur senkrecht zur kristallographischen a-Achse. 5 zeigt die Kristallstruktur entlang der kristallographischen c-Achse.
Die Kristallstruktur des Ausführungsbeispiels Ca₂Si₅N₈:Ce³⁺ des Leuchtstoffs 1 weist Si-zentrierte SiN₄-Tetraeder auf. Die SiN₄-Tetrader sind über ihre Ecken verknüpft und bilden so ein dreidimensionales Netzwerk aus. Dabei ordnen sich die SiN₄-Tetrader in Form von Schichten parallel zur bc-Ebene einer Elementarzelle an. Entlang der kristallographischen b-Achse betrachtet sind die Schichten als Stränge aus eckenverknüpften SiN₄-Tetrader erkennbar (3). In 3 zeigt die geschwungene Klammer den Zellparameter a an. Die Pfeile in 3 deuten die Richtung an, in die der jeweilige Strang verläuft. Die Stränge sind über weitere SiN₄-Tetrader untereinander verknüpft (3). Innerhalb der Elementarzelle sind sechs Schichten vorhanden, davon sind jeweils drei paarweise symmetrieäquivalent.
Die sechs Schichten einer Elementarzelle sind in 4A-F mit Blick entlang der kristallographischen a-Achse einzeln dargestellt. Innerhalb einer Schicht sind die SiN₄-Tetrader in Ketten angeordnet, in denen eine Anordnung der SiN₄-Tetrader in einem Zickzack-Muster erkannt werden kann. Die Pfeile zeigen dabei jeweils die zickzackförmige Ausrichtung der SiN₄-Tetraeder innerhalb der einzelnen Schichten an. Jede der sechs Schichten baut sich demnach aus kondensierten vierer-Einfachketten auf. Dabei wechselt sich in der Aufsicht eine Kette mit nach vorne gerichteten SiN₄-Tetraedern mit einer Kette mit nach hinten gerichteten SiN₄-Tetraedern ab (4A-F). Die einzelnen Schichten unterscheiden sich dabei in der genauen Ausrichtung der SiN₄-Tetraeder. Jeweils zwei der sechs Schichten sind dabei paarweise symmetrieäquivalent (4A-F).
Anhand der Summenformel lässt sich feststellen, dass es sich bei dem Ausführungsbeispiel Ca₂Si₅N₈:Ce³⁺ des Leuchtstoffs 1 um ein Polymorph der Substanz Ca₂Si₅N₈ handelt. Polymorphie ist die Eigenschaft einer Substanz, in verschiedenen Erscheinungsformen vorzukommen. Die Bildung verschiedener Polymorphe einer Substanz kann durch Einflüsse wie Druck und/oder Temperatur hervorgerufen werden. Polymorphe haben die gleiche chemische Zusammensetzung und Stöchiometrie, können sich aber in der räumlichen Anordnung der Atome und ihren Eigenschaften unterscheiden. Polymorphe kristalliner Substanzen unterscheiden sich beispielsweise in ihrer Kristallstruktur.
Die Substanz Ca₂Si₅N₈ weist neben dem Ausführungsbeispiel Ca₂Si₅N₈:Ce³⁺ des Leuchtstoffs 1 drei weitere Polymorphe in Form der Vergleichsbeispiele 1-3 auf. Das Vergleichsbeispiel 1 ist das Hochtemperaturpolymorph HT-Ca₂Si₅N₈, das auch als Standardpolymorph bekannt ist. Das Vergleichsbeispiel 2 ist das Hochdruckpolymorph HP-Ca₂Si₅N₈. Das Vergleichsbeispiel 3 ist das Polymorph β-Ca₂Si₅N₈.
Die kristallographischen Daten des Ausführungsbeispiels Ca₂Si₅N₈:Ce³⁺ des Leuchtstoffs 1 im Vergleich mit den drei weiteren Polymorphen von Ca₂Si₅N₈ in Form der Vergleichsbeispiele 1-3 sind in Tabelle 4 aufgeführt.

Zwar kristallisiert das Vergleichsbeispiel 1 ebenfalls im monoklinen Kristallsystem mit der Raumgruppe Cc (Nr. 9) wie das Ausführungsbeispiel Ca₂Si₅N₈:Ce³⁺ des Leuchtstoffs 1, allerdings ist anhand der Gitterparameter ersichtlich, dass das Ausführungsbeispiel Ca₂Si₅N₈:Ce³⁺ des Leuchtstoffs 1 eine deutlich längere a-Achse, einen kleineren β-Winkel sowie ein deutlich größere Elementarzellvolumen V aufweist. Tabelle 4

	Ausführungsbeispiel	Vergleichsbeispiel 1	Vergleichsbeispiel 2	Vergleichsbeispiel 3
Summenformel	Ca₂Si₅N₈	Ca₂Si₅N₈	Ca₂Si₅N₈	Ca₂Si₅N₈
Kristallsystem	monoklin	monoklin	orthorhombisch	monoklin
Raumgruppe	Cc (Nr. 9)	Cc (Nr. 9)	Pbca (Nr. 61)	P2₁ (Nr. 4)
Gitterparameter
a / Å	39,974	14,352	10,584	5,667
b / Å	5,613	5,610	9,652	9,282
c / Å	9,692	9,689	13,663	6,689
β / °	94,57	112,06	-	90,116
V / Å³	2168	723	1396	352

6 zeigt die Kristallstruktur des Vergleichsbeispiels 1 entlang der kristallographischen b-Achse. Dabei zeigt die geschwungene Klammer den Zellparameter a an und die Pfeile deuten die Richtung an, in die der Strang verläuft. Im Vergleich mit der Kristallstruktur des Ausführungsbeispiels Ca₂Si₅N₈:Ce³⁺ des Leuchtstoffs 1 entlang der kristallographischen b-Achse in 3 lässt sich erkennen, dass den beiden Polymorphen neben dem deutlich unterschiedlichen Gitterparameter a auch ein anderes Verknüpfungsmuster zugrunde liegt. So lassen sich zwar bei beiden Polymorphen Stränge aus SiN₄-Tetraedern erkennen, die Ausrichtung dieser Stränge unterscheidet sich jedoch grundsätzlich. Bei dem Vergleichsbeispiel 1 verlaufen die Stränge immer in die gleiche Richtung, was durch die Markierung mit den nach unten gerichteten Pfeilen in 6 zu erkennen ist. Das Ausführungsbeispiel Ca₂Si₅N₈:Ce³⁺ des Leuchtstoffs 1 weist hingegen abwechselnd zwei nach unten ausgerichteten Strängen und einen nach oben ausgerichteten Strang auf, was durch die Markierung mit den nach unten und oben gerichteten Pfeilen in 3 zu erkennen ist.
In 7 ist der Vergleich der Emissionsspektren des Ausführungsbeispiels Ca₂Si₅N₈:Ce³⁺ des Leuchtstoffs 1 (durchgezogene Linie) sowie des Vergleichsbeispiels 1 (gestrichelte Linie) nach Anregung mit violetter Primärstrahlung mit einer Wellenlänge von 408 nm gezeigt. Aufgetragen ist die relative Intensität I in % gegen die Wellenlänge λ in nm. Der Leuchtstoff 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel Ca₂Si₅N₈:Ce³⁺ emittiert bei einer Wellenlänge von λ_peak = 477 nm mit einer spektralen Halbwertsbreite von FWHM = 100 nm und einer Dominanzwellenlänge von λ_dom = 489 nm. Dabei lässt sich mit diesem Spektrum ein MER von 511 blm/W realisieren, was einem melanopischen Nutzeffekt von 0,615 entspricht.
In 7 ist erkennbar, dass das Emissionsspektrum des Ausführungsbeispiels Ca₂Si₅N₈:Ce³⁺ des Leuchtstoffs 1 eine geringere Halbwertsbreite aufweist als das Emissionsspektrum des Vergleichsbeispiels 1. Zudem ist eine Verschiebung zu kürzeren Wellenlängen des Emissionsspektrums des Ausführungsbeispiels Ca₂Si₅N₈:Ce³⁺ des Leuchtstoffs 1 im Vergleich zum Vergleichsbeispiel 1 zu erkennen. Das führt zu einem geringeren MER von 499 blm/W für das Vergleichsbeispiel 1 im Vergleich zum Ausführungsbeispiel Ca₂Si₅N₈:Ce³⁺ des Leuchtstoffs 1. Dies entspricht einem melanopischen Nutzeffekt von 0,599 für das Vergleichsbeispiel 1.

Die spektralen Daten des Ausführungsbeispiels Ca₂Si₅N₈:Ce³⁺ des Leuchtstoffs 1 sowie des Vergleichsbeispiels 1 bei Anregung mit 408 nm sind in Tabelle 5 zusammengefasst. Tabelle 5

	Ausführungsbeispiel	Vergleichsbeispiel 1
FWHM / nm	99,93	104,54
CIE-x	0,193	0,204
CIE-y	0,304	0,327
CIE-u'	0,123	0,126
CIE-v'	0,437	0,451
λ_dom / nm	489,00	491,04
λ_peak / nm	476,76	480,54
LER / lm/W	264,44	279,79
MER / blm/W	511,44	498,52
Melanopischer Nutzeffekt	0,615	0,599

In 8 ist ein Vergleich des Emissionsspektrums des Ausführungsbeispiels Ca₂Si₅N₈:Ce³⁺ des Leuchtstoffs 1 (durchgezogene Linie) mit dem melanopischen Wirkungsspektrum s_mel (gestrichelte Linie) dargestellt. Aufgetragen ist die Intensität I in willkürlichen Einheiten a.u. gegen die Wellenlänge λ in nm. Das Emissionsspektrum des Ausführungsbeispiels Ca₂Si₅N₈:Ce³⁺ des Leuchtstoffs 1 zeigt einen hohen Überlapp mit dem melanopischen Wirkungsspektrum s_mel. Der Leuchtstoff 1 kann daher bei einer Anregung mit 408 nm im Bereich des Human Centric Lightings eingesetzt werden, um die Melatoninproduktion optimal zu unterdrücken.
9 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 violetten oder blauen Bereich. Beispielsweise ist der Halbleiterchip 11 ein Halbleiterdiodenchip, der eine Primärstrahlung mit Wellenlängen von einschließlich 400 nm bis einschließlich 470 nm emittiert. Alternativ kann der Halbleiterchip 11 ein Laserdiodenchip sein, der beispielsweise eine Primärstrahlung einer Wellenlänge von 408 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 cyanfarbenen bis blaugrünen 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 EA₂D₅N_8-xO_x:RE auf. Insbesondere kann das Konversionselement 13 den Leuchtstoff 1 mit der Formel Ca₂Si₅N₈: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 cyanfarbenes bis blaugrünes Licht, beispielsweise für den Einsatz als cyanfarben oder blaugrün emittierende LED in Kombination mit einer weiß emittierenden LED, um weißes Licht mit einem einstellbaren Cyananteil zu erhalten.
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 roten Spektralbereich. Der weitere Leuchtstoff kann dazu Granate wie YAG, YAGaG, LuAG und/oder LuAGaG umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann der weitere Leuchtstoff Nitridleuchtstoffe wie Sr₂Si₃N₈, Ba₂Si₅N₈, (Ba, Sr) ₂Si₅N₈, CaAlSiN₃, (Ca, Sr) AlSiN₃, Sr (Ca, Sr) Si₂Al₂N₆, β-SiAlON, SrLiAl₃N₄ und SrLi₂Al₂N₂O₂ umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann der weitere Leuchtstoff KSF (K₂SiF₆) umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann der weitere Leuchtstoff Quantendots umfassen. Das strahlungsemittierende Bauelement 10 kann dann beispielsweise weißes Licht emittieren.
Insbesondere kann das strahlungsemittierende Bauelement 10 als Drei-Komponenten-WLED weißes Licht emittieren. Dafür kann der hier beschriebenen Leuchtstoff mit der Formel Ca₂Si₅N₈:Ce³⁺ mit dem rot emittierenden Leuchtstoff (Ba,Sr)₂Si₅N₈:Eu²⁺ kombiniert und mittels eines violetten Halbleiterchips 11, der eine Primärstrahlung von 408 nm emittiert, angeregt werden. Ein durch Spektrenaddition simuliertes Spektrum dieses Ausführungsbeispiels ist in 10 dargestellt. 10 zeigt dabei die relative Intensität I/I_max in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ in nm. Das simulierte Spektrum des Ausführungsbeispiels weist eine Farbtemperatur CCT von ungefähr 4000 K, insbesondere 4074 K, einen Farbwiedergabeindex CRI von 80 und einen MER von 257 blm/W auf.
In 11 ist als Vergleichsbeispiel ein Weißlicht-Spektrum eines strahlungsemittierenden Bauelements bei einer Farbtemperatur von ungefähr 4000 K, insbesondere 3998 K, einem CRI von 82 und einem MER von 221 blm/W dargestellt.
Hierbei handelt es sich um eine Weißlicht-Lösung mit einem blauen Chip, YAG:Ce, LuAG:Ce und Sr(Ca,Sr)Si₂Al₂N₆:Eu.
Mit dem strahlungsemittierenden Bauelement des Ausführungsbeispiels lässt sich somit eine Weißlichtlösung mit einem 16% höheren MER realisieren als mit dem strahlungsemittierenden Bauelement des Vergleichsbeispiels (12).

Tabelle 6 listet wichtige Kennzahlen des Ausführungsbeispiels sowie des Vergleichsbeispiels auf. Tabelle 6

Kenngröße	Ausführungsbeispiel	Vergleichsbeispiel
CIE-x	0,376	0,381
CIE-y	0,372	0,377
CCT	4074	3998
CRI	80	82
LER / lm/W	314	333
MER / blm/W	257	221
Melanopischer Nutzeffekt	0,31	0,27
MER% (bezogen auf das Vergleichsbeispiel)	116%	100%

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
2: Ca
3: SiN₄-Tetraeder
10: strahlungsemittierendes Bauelement
11: Halbleiterchip
12: Strahlungsaustrittsfläche
13: Konversionselement

Claims

Leuchtstoff (1) mit der allgemeinen Formel EA₂D_5-xE_xN_B- _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, - 0 ≤ x ≤ 5, - der Leuchtstoff (1) in einer monoklinen Raumgruppe kristallisiert, und - der Leuchtstoff (1) ein Elementarzellvolumen zwischen einschließlich 1850 Å³ und einschließlich 2500 Å³ aufweist.
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, Al 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) einen Gitterparameter zwischen einschließlich 30 Å und einschließlich 50 Å aufweist.
Leuchtstoff (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leuchtstoff (1) eine Wirtsstruktur aufweist, die eckenverknüpfte D(O,N)₄-Tetraeder umfasst, die innerhalb einer Ebene einer Elementarzelle in Form von Schichten angeordnet sind, wobei benachbarte Schichten über zumindest ein D(O,N)₄-Tetraeder, das nicht Bestandteil der Schichten ist, miteinander verknüpft sind, und wobei innerhalb der Elementarzelle sechs Schichten vorhanden sind.
Leuchtstoff (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die D(O,N)₄-Tetraeder innerhalb einer Schicht in miteinander verknüpften Ketten angeordnet sind, wobei die Ketten innerhalb einer Schicht in einem Zickzack-Muster verlaufen, und wobei sich die Orientierung der D(O,N)₄-Tetraeder von benachbarten Ketten unterscheidet.
Leuchtstoff (1) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei jeweils drei Schichten paarweise symmetrieäquivalent sind.
Leuchtstoff (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine von dem Leuchtstoff (1) ausgesandte elektromagnetische Strahlung ein Emissionsmaximum zumindest eines Emissionspeaks zwischen einschließlich 400 nm und einschließlich 560 nm aufweist.
Leuchtstoff (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine von dem Leuchtstoff (1) ausgesandte elektromagnetische Strahlung eine spektrale Halbwertsbreite zwischen einschließlich 50 nm und einschließlich 150 nm aufweist.
Leuchtstoff (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leuchtstoff (1) die Formel Ca₂Si₅N₈:RE aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs (1) mit der allgemeinen Formel EA₂D_5-xE_XN_8-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, - 0 ≤ x ≤ 5, - der Leuchtstoff (1) in einer monoklinen Raumgruppe kristallisiert, und - der Leuchtstoff (1) ein Elementarzellvolumen zwischen einschließlich 1850 Å³ und einschließlich 2500 Å³ aufweist 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 1600 °C und einschließlich 2000 °C erhitzt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei das Eduktgemenge bei einem Druck zwischen einschließlich 1 bar und einschließlich 40 bar erhitzt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Eduktgemenge unter einer N₂-Atmosphäre 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 cyanfarbenen bis blaugrünen 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 roten Spektralbereich 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.