科研动态：宽带近红外荧光材料及应用研究最新进展

近红外光作为一种多功能光学平台，凭借其不可见性、深层组织穿透性和低散射损耗等固有优势，已被广泛应用于生物成像、疾病诊断与治疗、安全监控和农业等领域。在各种近红外光源中，近红外荧光粉转换发光二极管提供了进一步的实用优势，包括环境友好、成本效益高和稳定照明。稀土学院稀土发光材料及器件研究所团队聚焦宽带近红外荧光材料及应用研究取得了一系列研究进展。

图1 Cr³⁺掺杂镓锗酸盐近红外荧光材料的结构解析与多中心发光

近日，发光所团队在ACS Applied Materials & Interfaces(IF = 8.2)发表了题为《Structural Insights and Multi-center Luminescence in Cr³⁺-Doped Gallogermanate for High-Efficiency Near-Infrared pc-LEDs》的研究成果。Cr³⁺激活的荧光粉因其可调的发射带和在蓝光区域的宽吸收，成为被普遍采用的激活剂，然而其d-d跃迁的宇称禁阻性质导致的吸收效率有限，并且难以实现超过900 nm的长波长发射。开发了一种Cr³⁺激活的镓锗酸盐固溶体Ga₆Ge₂O₁₃新型近红外荧光材料，这是基于其多样的阳离子位点（包括八面体和四面体配位），以及Ga³⁺的存在有利于较弱的晶体场并促进更长波长的近红外发射。在430 nm激发下，GGO:6% Cr³⁺表现出一个位于880 nm的长波长发射峰，半高全宽为215 nm。激发光谱中在538 nm处的一个显著肩峰表明存在多个发光中心。通过结合低温光谱、X射线吸收精细结构和电子顺磁共振分析，确定了除了常规的八面体Cr³⁺外，还涉及四面体配位的Cr³⁺和交换耦合的Cr³⁺离子对。本工作不仅阐明了GGO中Cr³⁺的PL机制和位点占据，而且通过多位置工程为开发长波长、超宽带近红外荧光粉提供了一种结构设计策略。

       图2 Fe³⁺掺杂双钙钛矿结构近红外荧光材料的结构工程与能量传递

此外，发光所团队《Materials Today》(IF = 22.0)上发表了题目为《Boosting internal quantum efficiency to near-unity in Fe³⁺-doped NIR Phosphors: Structural engineering and energy transfer in A₂LuSbO₆ (A = Ba/Sr/Ca) Double Perovskites》的研究论文。针对Fe³⁺掺杂近红外荧光粉发光效率普遍较低、发射波长较短和半峰宽小于100 nm等关键问题，采用结构工程和能量转移策略，开发了Fe³⁺激活的双钙钛矿结构A₂LuSbO₆ (A = Ba/Sr/Ca)近红外荧光材料。随着阳离子的取代，Fe³⁺周围的晶体场强度不断增强，实现了对Fe³⁺的发射波长在847-937 nm大范围的可控调谐。同时，离子取代使结构逐渐从高对称性立方相转变为更低对称性的单斜相，引起晶格扭曲和八面体的畸变，打破Fe³⁺自旋和宇称禁戒的d-d跃迁，增强了Fe³⁺的发光性能。为了进一步提高发光性能和拓宽发射半峰宽，在Sr₂LuSbO₆:Fe³⁺中引入稀土离子Yb³⁺，成功构建Fe³⁺→Yb³⁺的有效能量转移通道，减少无辐射跃迁过程的能量损失，内/外量子效率提高至98.1%/56.4，热稳定性提高13%和发射半峰宽从115 nm拓宽至180 nm，提高了样品的综合发光性能。本研究为开发和设计高效率宽带发射近红外荧光粉提供了新思路与可行技术路径。