ENVIRONMENT AND TECHNOLOGIES

Electron-beam and laser synthesis of luminescent YAG:Ce ceramics

Authors

  • Yichang Liu Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russia

How to cite

GOST Liu Y. Electron-beam and laser synthesis of luminescent YAG:Ce ceramics // Environmental Management Issues. 2026. Vol. 5. No. 1. P. 41-50. DOI: 10.25726/f0374-4927-9137-t
APA Liu, Y. (2026). Electron-beam and laser synthesis of luminescent YAG:Ce ceramics. Environmental Management Issues, 5(1), 41-50. https://doi.org/10.25726/f0374-4927-9137-t

Abstract

The article considers high-energy synthesis of luminescent YAG:Ce ceramics as an inorganic radiation converter for powerful LED systems demanded in architectural and infrastructure lighting, where thermal resistance, durability, and stability of color characteristics are critical. It is shown that abandoning polymeric binders and transitioning to optically transparent ceramics allows increasing the resistance of lighting units to temperature and radiation-optical loads characteristic of operation on facades, bridges, and industrial facilities. Synthesis was performed from high-purity oxide powders in the composition Y2.985Ce0.015Al5O12 after wet milling, granulation, and pressing; densification was carried out using an accelerator electron beam with energy 1.4 MeV and a fiber laser 1.07 µm at varying power density and scanning speed. Comprehensive characterization of more than 120 samples includes evaluation of density, porosity, microstructure, spectral-luminescent parameters, and thermophysical properties. Comparison of technologies demonstrates that electron-beam processing provides near-theoretical density (99,56%) with a fine-grained structure and increased microhardness, preserving high quantum yield (91,85%) and luminous efficacy (218.4 lm/W) with a moderate decrease in transmittance associated with residual nanopores. Laser sintering yields the finest grain but is accompanied by greater open porosity, drop in transmittance and quantum yield, as well as reduction in thermal conductivity to 8.34 W/(m·K), which is interpreted as a consequence of thermal gradients, scattering at grain boundaries, and possible surface overoxidation of the activator. The combined approach brings optical characteristics closer to the vacuum reference while maintaining fine grain. Energy analysis reveals a sharp advantage of the electron beam in cycle duration and specific energy costs, which increases the attractiveness of scaling; at the same time, the need for standardization of radiation and laser safety and the potential for application in green construction and integrated luminous architecture are discussed.

Keywords

YAG Ce luminescent ceramics electron beam synthesis laser sintering quantum yield

References

Бахметьев В.В., Малыгин В.В., Подсыпанина Н.С., Лебедев Л.А., Кескинова М.В., Сычев М.М. Синтез и исследование свойств люминофоров для катодолюминесцентных источников ультрафиолетового излучения // Инновационные материалы и технологии в дизайне. Мат. III Всерос. науч.-тех. конф. СПб., 2017. С. 53-64.

Голубой люминофор для флюоресцентного дисплея и способ его синтеза // РЖ 19Л. Технология неорганических веществ и материалов. 2005. № 20. 05.20-19Л.117П.

Добродей А.О., Подденежный Е.Н., Малашкевич Г.Е. Получение люминесцирующих порошков и исследование их характеристик // Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка: мат. IX Межд. науч.-тех. конф. Минск, 2010. С. 46-48.

Емелев В.С., Удалова Е.А. Особенности синтеза люминесцирующих полупроводниковых наночастиц // Мат. 71-й науч.-тех. конф. студ., асп. и мол. ученых УГНТУ. В 2 т. Уфа, 2020. Т. 1. С. 209.

Зеленина Е.В., Бахметьев В.В., Сычев М.М., Швиндин М.А. Синтез цинксульфидных люминофоров для твердотельных радиолюминесцентных источников света с использованием электронно-лучевого модифицирования // Нанофизика и наноматериалы: сб. науч. тр. Межд. сем. СПб., 2020. С. 146-152.

Клюев В.Г., Кушнир М.А., Латышев А.Н., Малая Л.Я., Волошина Т.В., Бокарев В.В. Светочувствительные люминесцирующие многослойные пленки для записи оптической информации, полученные лазерным напылением // Журнал научной и прикладной фотографии и кинематографии. 1986. Т. 31. № 6. С. 462-464.

Курбанов С.С., Шаймарданов З.Ш., Касымджанов М.А., Захидов Э.А., Хабибуллаев П.К. Фото- и термообесцвечивание центров люминесценции в синтетических опалах // Журнал прикладной спектроскопии. 2005. Т. 72. № 5. С. 622-626.

Латышев А.Н., Овчинников О.В., Клюев В.Г. и др. Фотостимулированная вспышка люминесценции: от научной фотографии к фотонике наноструктурированных материалов // Оптика и спектроскопия. 2013. Т. 114, № 4. С. 592-605.

Медведев А.Э., Пинаев П.А., Барняков А.М. Установка по комбинированному лазерно-плазменному синтезу + СВЧ // Графен: молекула и 2D-кристалл: прогр. и сб. тез. док. Новосибирск, 2019. С. 42-43.

Огурцов К.А., Бахметьев В.В., Ерузин А.А., Сычев М.М., Лукашова Т.В. Повышение яркостных характеристик AIIBVI люминофоров // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). 2018. № 45(71). С. 48-52.

Пальянов П.А. Синхронизированные пикосекундные лазерные и наносекундные электронные пучки и их применение для исследования фундаментальной люминесценции диэлектриков: дис. ... канд. физ.-мат. наук. Томск, 1995. 18 с.

Пицан А.П., Селюнина Л.А. Синтез алюмината лантана-магния LaMgAl11O19 и люминофоров разного цвета свечения на его основе // Инновации. Интеллект. Культура: мат. VII Межд. науч.-прак. конф. Тюмень, 2024. С. 70-73.

Потапов А.С. Релаксация электронных возбуждений в Pr3+-содержащих люминофорах: дис. ... канд. физ.-мат. наук. Санкт-Петербург, 2004. 16 с.

Потапов А.С. Релаксация электронных возбуждений в Pr3+-содержащих люминофорах: дис. ... канд. физ.-мат. наук. СПб., 2004. 125 с.

Чередникова Е.Ю. Лазерная спектроскопия фотоиндуцированной конформационной динамики биолюминесцентной системы люцифераза-люциферин: дис. ... канд. физ.-мат. наук. М., 2000. 114 с.

Issue

Section

ENVIRONMENT AND TECHNOLOGIES
Want to publish with us?
Submit an article

Machine-readable metadata