原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Kosyanov DY, Vornovskikh AA, Zavjalov AP, et al. Ce:GAGG and Al₂O₃−Ce:GAGG phosphor ceramics for laser-driven lighting: Effects of Ga³⁺ substitution. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221267 

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221267

ResearchGate：Ce:GAGG and Al₂O₃−Ce:GAGG phosphor ceramics for laser-driven lighting: Effects of Ga³⁺ substitution

一、导读

本研究在纯氧气氛下制备了镓取代量 x=0.5~3.0 的单相铈掺杂钆铝镓石榴石（Ce:Gd₃Al₅₋ₓGaₓO₁₂，Ce:GAGG）荧光陶瓷，以及氧化铝体积占比 50% 的氧化铝 - 铈掺杂钆铝镓石榴石复合荧光陶瓷。系统探究了镓离子取代对陶瓷物相形成、微观结构及发光性能的影响。结果表明，单相铈掺杂钆铝镓石榴石系列样品未出现杂相，且明确了镓离子在石榴石相八面体晶位 (Al/Ga)₂（0,0,0）和四面体晶位 (Al/Ga)₃（0.375,0,0.25）的分布规律；对于氧化铝 - 铈掺杂钆铝镓石榴石复合体系，发现石榴石相 Ga (Al,Ga) G 与氧化物相 (Al,Ga)₂O₃之间存在铝、镓元素的相互交换，且当镓取代量 x≥2.0 时，(Al,Ga)₂O₃发生从 α 相到 κ 相的相变，伴随细长晶粒的生成，当 x=3 时还出现晶粒部分熔融现象。这一特征也体现在复合体系的光致发光峰蓝移程度弱于单相体系：当 x 增至 3.0 时，氧化铝 - 铈掺杂钆铝镓石榴石的光致发光强度峰仅蓝移 18 nm，该位移量与单相铈掺杂钆铝镓石榴石 x = 1.5 时的蓝移量相当。在镓取代量 x = 2.5 和 3.0 的单相铈掺杂钆铝镓石榴石样品中，发现了磷光现象。在反射模式下采用 1 W 450 nm 激光二极管激发时，厚度 0.4 mm、镓取代量 x = 0.5~1.5 的氧化铝 - 铈掺杂钆铝镓石榴石荧光陶瓷表现出优异的光学性能，其相关色温为 5400~6300 K（最佳区间），发光效率达 123~145 lm・W⁻¹，显色指数为 69~64。该研究制备的荧光陶瓷在固态激光照明领域展现出较高的应用潜力。

二、研究背景

铈掺杂钇铝石榴石黄色荧光粉的光致发光峰位于 540 nm 左右，受蓝光激光二极管超窄发射带（约 2 nm）的影响，其发射光谱在 460~520 nm 青蓝光波段存在明显的光谱凹陷；同时，该荧光粉的长波（红光）发射成分占比不足，无法实现全彩照明。上述问题会导致物体真实色彩还原失真，限制了该类荧光粉在诸多前沿领域的应用。

要实现高显色指数，荧光粉的发射光谱需在整个可见光波段实现均衡分布，这就要求其发射峰具有高半高宽，且青蓝光发射区间得到拓展。从这一角度来看，铈离子掺杂的钆铝石榴石（GAG）- 钆镓石榴石（GGG）体系陶瓷固溶体，是激光驱动照明领域极具应用前景的光转换材料。但基质密度的变化以及不同活性离子间的相互作用，可能会导致荧光粉的量子效率下降，同时光致发光强度的热猝灭效应加剧。因此，对石榴石结构铈掺杂钆铝镓石榴石荧光陶瓷进行光谱调控与综合性能提升，成为该领域的重要研究课题。

三、文章亮点

本研究在纯氧气氛下通过反应烧结法制备了铈掺杂钆铝镓石榴石及氧化铝 - 铈掺杂钆铝镓石榴石陶瓷，系统探究了镓离子在陶瓷中的晶位择优分布规律，以及镓离子取代对陶瓷微观结构和发光性能的影响。

四、研究结果与结论

1）在纯氧气氛下，制备了名义组分中铝镓比 Al₅₋ₓ/Gaₓ（x=0.5~3.0）不同的系列单相铈掺杂钆铝镓石榴石荧光陶瓷和氧化铝 - 铈掺杂钆铝镓石榴石复合荧光陶瓷；

2）系统研究了镓离子取代对两类陶瓷物相形成、微观结构及发光性能的影响规律；

3）铈掺杂钆铝镓石榴石体系未检测到杂相；通过晶格参数公式 a [Å]=12.1081+0.0517∙Ga₍八面体₎+0.0520∙Ga₍四面体₎，明确了镓离子在石榴石相八面体晶位 (Al/Ga)₂（0,0,0）和四面体晶位 (Al/Ga)₃（0.375,0,0.25）的分布特征，以及其对陶瓷晶格参数的影响；

4）氧化铝 - 铈掺杂钆铝镓石榴石体系中，石榴石相 Ga (Al,Ga) G 与氧化物相 (Al,Ga)₂O₃之间存在铝、镓元素的相互交换；当镓取代量 x≥2.0 时，(Al,Ga)₂O₃发生从 α 相到低对称性正交晶系 κ 相的相变，并估算出 κ-(Al,Ga)₂O₃新相在 (Al,Ga)₂O₃氧化物总相中所占的比例；

5）当 x=3 时，氧化铝 - 铈掺杂钆铝镓石榴石中的氧化铝发生剧烈再结晶，伴随细长晶粒生成、晶粒部分熔融及气孔聚集现象；显然，所观察到的 (Al,Ga)₂O₃α→κ 相变，是引发上述微观结构变化的重要因素；

6）α-(Al,Ga)₂O₃和 κ-(Al,Ga)₂O₃固溶体的形成，在一定程度上抵消了因大半径镓原子取代铝原子而导致的石榴石结构晶场劈裂效应；随着镓含量增加，铈掺杂钆铝镓石榴石和氧化铝 - 铈掺杂钆铝镓石榴石荧光陶瓷的光致发光峰分别蓝移约 26 nm 和 18 nm，半高宽分别窄化约 9 nm 和 3 nm；

7）镓取代量 x=2.5 和 3.0 的单相铈掺杂钆铝镓石榴石样品出现磷光现象，其磷光衰减时间 τ1（τ2）分别为 7060（72279）ms 和 58602（393327）ms；

8）在反射模式下，采用功率密度 1 W・mm⁻² 的 450 nm 蓝光激光二极管对荧光陶瓷进行激发，测试其发光性能；结果表明，厚度 0.4 mm、镓取代量 x=0.5~1.5 的氧化铝 - 铈掺杂钆铝镓石榴石荧光陶瓷的相关色温处于 5400~6300 K 的最佳区间，发光效率为 123~145 lm・W⁻¹，显色指数为 69~64。

五、作者及研究团队介绍

俄罗斯团队负责人

Denis Kosianov，俄罗斯远东联邦大学（Far Eastern Federal University）教授，2015年于乌克兰国家科学院单晶研究所获工程科学博士学位。其研究领域为光学陶瓷、激光陶瓷与发光陶瓷，拥有15年以上基础科学研究与技术研发经验，核心研究方向为氧化物纳米粉体的合成，以及通过多种烧结方法（包括反应固相烧结、放电等离子烧结等单一方法，及放电等离子烧结与热等静压的复合方法）调控陶瓷微观结构演化以实现陶瓷材料性能提升。

Denis Kosianov教授主持了多项由俄罗斯科教基金会、俄罗斯总统奖学金计划、中国科学院外籍青年科学家计划资助的科研项目；在先进氧化物陶瓷、复合氧化物陶瓷及多元氧化物陶瓷领域，发表期刊论文 67余篇（H指数17），获授权专利6项。

电子邮箱：kosianov.diu@dvfu.ru

ORCID 标识码：0000-0002-6368-3334

中国团队负责人

李江，男，1977年12月生，工学博士，中国科学院上海硅酸盐研究所二级研究员，博士生导师，国家重点研发计划项目首席科学家。现任Journal of Advanced Ceramics副主编、《无机材料学报》副主编、美国陶瓷学会期刊Journal of the American Ceramic Society和International Journal of Applied Ceramic Technology副编辑（Associate editor）、Magnetochemistry、《现代技术陶瓷》、《人工晶体学报》、《功能材料与器件学报》等期刊的编委。目前主要从事光学与光功能透明陶瓷（包括：激光陶瓷、闪烁陶瓷、磁光陶瓷、荧光陶瓷、长余辉发光陶瓷等）的基础与应用研究。连续4年入选美国斯坦福大学发布的“终身科学影响力排行榜”（全球前2%顶尖科学家榜单）。受邀在国内外重要学术会议上作邀请报告60余次（20余次担任分会主席）。以项目负责人承担国家及省部级项目20余项。迄今在国内外重要学术期刊上发表论文476篇；合著/译高学术专著3部；参与2部英文专著部分章节的撰写；申请中国发明专利50余项（其中授权25项）。

电子邮箱：lijiang@mail.sic.ac.cn

ORCID 标识码：0000-0003-2372-6624

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1) Kosyanov DY, Vornovskikh AA, Shichalin OO, et al. Reactive SPS of Al₂O₃–RE:YAG (RE = Ce; Ce+Gd) composite ceramic phosphors. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(5): 1015-1032. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220735

2) Zhang L, Hu C, Li X, et al. Effect of Sc substitution on the phase composition, microstructure, and properties of (Tb_1−xSc_x)₃(Al_1−ySc_y)₂Al₃O₁₂ transparent ceramics. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(9): 1442-1452. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220948

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科34种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。

期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108

投稿地址：https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer

期刊ResearchGate主页：https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508

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