近红外(NIR)发射磷光体转换发光二极管(pc-LED)在夜视和生物成像等新兴技术领域引起了人们的关注。目前，由于缺乏可蓝光激发的高性能近红外荧光粉材料，近红外发光pc-LED的发展遇到了瓶颈。

尽管Cr3+激活荧光粉在众多近红外发射荧光粉中脱颖而出，并且最近在实现可调谐宽带发射方面取得了进展，但主要问题仍然是其发光效率不理想和热稳定性差。

A3B2C3O12型石榴石被认为是可以解决这些问题的有前途的主体材料，因为它们紧凑的配位环境和可调谐结构可以提供包括所需的在内的多种发光特性。

不幸的是，发射波长和效率以及热稳定性之间存在权衡。也就是说，高效且热稳定的近红外发光通常伴随着短发射波长(<750nm)。挑战仍然在于提高Cr3+掺杂的近红外发射石榴石荧光粉的发光效率和热稳定性，同时保持原有的较长波长。

在《光：科学与应用》杂志上发表的一篇新论文中，中国科学院长春应用化学研究所林俊教授和中国地质大学李国刚教授领导的科学家团队报道了“杀死两只鸟”“一石二鸟”策略通过化学单元共取代同时提高近红外发射Ca3Y2-2x(ZnZr)xGe3O12:Cr石榴石体系的发光效率和热稳定性，仅伴随轻微的发射偏移。

所开发的近红外发射荧光粉显示出在信息加密、生物组织成像和夜视方面的潜在应用。这项工作为开发高性能近红外发射荧光粉材料提供了新的见解。

为了实现Cr3+掺杂石榴石荧光粉的高发光效率和热稳定性，应考虑两个主要因素。一种是发光“杀手”Cr4+，在近红外区域显示出强烈的吸收。另一个关键因素是结构刚性。

在这项工作中，作者选择了具有典型石榴石结构的Ca3Y2Ge3O12作为铬掺杂的初始主体。通过[Zn2+–Zr4+]的阳离子共取代[Y3+–Y3+]，一系列Ca3Y2-2x(ZnZr)xGe3O12:Cr近红外发射采用传统的高温固相法合成荧光粉。研究了该石榴石系统的潜在发光优化机制。

结构分析和密度泛函理论(DFT)计算表明铬离子很可能以四价Cr4+离子的形式进入Ca3Y2Ge3O12的Ge4+位点。Cr3+和Cr4+的共存被证明是Ca3Y2Ge3O12:Cr的低量子效率的原因。设计的较小的[Zn2+–Zr4+]对[Y3+–Y3+]的共取代起到了预期的还原剂作用，促进了Cr4+发光杀手向有益的Cr3+发射中心的转变。

漫反射光谱和CrK边X射线吸收近边结构光谱也证明了这一结果。化合价的降低与Cr3+离子八面体位点的成功重建有关。此外，[Zn2+-Zr4+]单元的引入也有助于形成刚性的晶体结构。

这两个方面共同实现了423K下96%的高内量子效率和89%的优异热稳定性，几乎超过了相似发射区域(770-820nm)内所有已报道的Cr3+掺杂石榴石荧光粉。这证明了所设计的共取代在优化Cr3+掺杂石榴石荧光粉发光性能方面的可行性。

此外，得益于重构的刚性共价结构，荧光粉的耐酸性也大大提高。受此启发，实现了“阅后即焚”的信息加密。最后，所制造的近红外发射pc-LED在生物组织成像和夜视方面显示出有前景的应用。

这项工作为通过化学单元共取代优化发光提供了新的视角，所揭示的普遍机制可以激发对高性能Cr3+掺杂近红外发射荧光粉材料的进一步探索。

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