SrGa?S?:Eu2+ 中的降解机制及外壳涂层设计

《Materials Today Chemistry》：Degradation mechanism and shell coating design in SrGa 2S 4:Eu2+

　　

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  SrGa₂S₄:Eu²⁺ 的多维解耦物理化学退化机制。
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  商用荧光粉在高级 LCD 背光中的综合稳定性分析。
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  有效的无机外壳涂层设计，用于优化综合性能。
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  从微观机制到加工：全链条研究方法。

引言

作为主流的平板显示技术，液晶显示器（LCD）由于其较低的生产成本、较长的设备寿命和稳定的光输出质量，在新兴显示设备不断涌现的情况下仍占据着重要的市场份额[[1], [2], [3]]。从实验室研究到生产线的过渡中，LCD 的环境可靠性评估是确保设备质量的不可动摇的基础[[4], [5], [6]]。特别是，LCD 的应用场景正在向高功率、更苛刻和更高端的环境发展，例如航空电子设备、医疗仪器和智能人机交互产品[7,8]。解决这些应用中的“可靠性”问题至关重要。作为 LCD 设备中发光二极管（LED）背光单元的关键组件，窄带荧光粉的环境稳定性评估和改进一直是行业持续研究的重点[9,10]。然而，在大多数关于新型窄带荧光粉的报告中，对稳定性的研究仅限于少数指标，如热致发光稳定性[11,12]。为了进一步将发光材料的基础研究转化为 LCD 设备的实际应用，迫切需要探索和开发更全面的材料退化机制和更通用的稳定性提升策略[13,14]。

根据应用场景的不同，LCD 设备的环境可靠性评估包括各种单独和组合测试，如温度-湿度循环测试、盐雾测试和机械冲击测试[5,15]。然而，对于用于 LED 的无机发光材料，核心稳定性指标通常围绕四个维度：光、温度、湿度和化学稳定性[16,17]。在这些因素中，由于其在实际应用中的高温度抗性和耐湿性，荧光粉的耐高温和耐湿性被广泛讨论[18,19]。这正是 β-Sialon:Eu²⁺（一种具有高稳定性的窄带绿色荧光粉）被用于 LED 背光的主要原因之一[20]。然而，作为一种氮化物材料，β-Sialon:Eu²⁺ 需要复杂的制备条件，使其生产成本较高。作为有前景的替代品，SrGa₂S₄:Eu²⁺ 合成容易，在发射光谱的全宽半高（FWHM < 50?nm）方面表现出更优的性能，从而有可能为 LCD 设备实现超宽的色彩范围[21,22]。不幸的是，其较差的稳定性长期以来阻碍了该材料的发展和实际应用[23]。

作为经典的三元金属硫化物，SrGa₂S₄:Eu²⁺ 的较低声子能量被认为是通过抑制非辐射跃迁来实现高效发光的核心原因[24,25]。然而，较差的化学稳定性和污染性分解产物一直是相关研究的重点[26,27]。目前的报告尚未充分探讨其在高湿度和高腐蚀性环境下的退化行为[28]。理解荧光粉的老化退化机制是材料保护和性能提升的关键前提。例如，另一种经典的窄带绿色荧光粉 UCr₄C₄ 含有丰富的碱性化学成分，容易潮解成碱性物质，从而导致 LCD 设备故障[29]。基于此，许多研究表明，涂覆无机外壳可以有效地提高发光材料的耐湿化学稳定性[30,31]。然而，外壳材料、厚度和涂覆方法都会在不同程度上影响荧光粉的性能[32,33]。因此，建立一个可靠的 SrGa₂S₄:Eu²⁺ 老化模型并优化涂层技术仍然是将该材料实际应用于 LED 背光的重要步骤。

本工作的研究和设计概念如图 1 所示。我们首先对 SrGa₂S₄:Eu²⁺ 在复杂环境条件下的稳定性进行了全面分析。基于标准老化（8585 测试）结果和快速老化实验设计，我们分离了多种因素（如蒸汽和高温）对荧光粉颗粒的物理化学影响，并从微观晶体学的角度建立了 SrGa₂S₄:Eu²⁺ 荧光粉的可靠材料老化退化机制。在此基础上，我们设计了使用 MgO/Al₂O₃ 外壳的优化涂层工艺，显著提高了其在高温、高湿度和退火条件下的发光热稳定性和环境稳定性。这项工作为窄带绿色荧光粉 SrGa₂S₄:Eu²⁺ 在 LCD 设备应用中的环境可靠性评估提供了直接的数据支持。此外，通过涂层工艺和提升的综合稳定性，它有望将材料的应用价值提升到更高水平。

部分摘要

老化退化的过程和机制

作为评估材料退化的最标准化方法之一，8585（85°C/85% R.H., JESD22-A101）恒温恒湿老化测试是 LCD 设备加速寿命测试（ALT）的核心，并也被广泛采用作为评估商用荧光粉材料稳定性的标准测试[34,35]。在这项工作中，购买的商用荧光粉 SrGa₂S₄:Eu²⁺ 在标准条件下连续老化了 10 天。

结论

本研究的主要意义在于深入阐明了 SrGa₂S₄:Eu²⁺ 荧光粉在多场耦合复杂环境下的退化机制。通过包括 8585 老化、快速老化和热冲击测试（TST）在内的实验设计，我们分离了温度、湿度和时间对荧光粉的退化影响，并基于微观晶体学建立了层状晶格开裂的物理化学模型。更重要的是，这一切都基于

CRediT 作者贡献声明

邵宇鹤：写作——审稿和编辑，撰写——初稿，资源整理，数据分析，概念构建。宋振：写作——审稿和编辑，监督，软件开发，调查。刘荣辉：写作——审稿和编辑，监督，资源管理，项目筹款。刘全林：写作——审稿和编辑，监督，项目管理，方法论研究，项目筹款，概念构建。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了 中国国家重点研发计划（编号：2022YFB3503803）的支持。

邵宇鹤|宋振|刘荣辉|刘全林