Light：宽带近红外LED光源用荧光材料性能优化策略

封面图来源：刘永福，中国科学院宁波材料技术与工程研究所

近日,中科院宁波材料技术与工程研究所刘永福副研究员等人在国际顶尖期刊Nature子刊 Light: Science & Applications 发表论文，研究人员通过烧结助剂和还原气氛结合的简约方法，显著提升了Ca₃Sc₂Si₃O₁₂:Cr³⁺(CSSG:Cr³⁺)近红外发光性能。这为如何通过提高结晶度、控制形貌和保持发光离子价态，得到高品质Cr³⁺激活宽带近红外荧光材料提供了普适性的策略，促进了下一代智能近红外光源的发展。

近红外光谱对有机物具有良好的穿透性，在食品安全、药物检测、生物成像、夜视等方面具有广泛的应用。随着近红外光源与智能手机结合等概念的兴起，传统的钨丝灯、卤素灯近红外光源体积大、能耗高，已经无法满足应用要求。虽然近红外LED芯片体积小，但是其发射谱带通常小于50nm，无法满足宽谱带的要求。

借鉴蓝光LED芯片与荧光转换材料结合实现白光LED照明的技术，通过蓝光LED芯片与近红外荧光转换材料结合的方法，获得宽带近红外LED光源是目前最佳的方案。因此，如何获得适合蓝光激发的效率高、热稳定性好等性能优异的近红外荧光材料成为一个重要的研究课题。

以适合蓝光激发的宽带近红外荧光材料CSSG:Cr³⁺为例，现有空气烧结制备的样品存在较多SiO₂和Sc₂O₃杂质相，发光离子Cr³⁺易氧化成Cr⁴⁺显著降低发光效率和热稳定性。针对这些问题，作者通过烧结助剂和CO还原气氛相结合的方法，将CSSG:Cr³⁺发光内量子效率从12.8%提升至77.8%（如图1所示）。

助熔剂提高了原料的反应活性，降低了样品中杂相的含量，提升了样品的相纯度和结晶度，减少了缺陷中心（如图2所示）。还原气氛有效保证了Cr的+3价态，阻止了Cr⁴⁺的氧化（如图3所示）。优化后的样品热稳定性也明显增强。在150 ℃时，发光强度还可以维持在97.4%。这使得其更加适合功率型LED应用。

图1 (Sc/Cr)O₆配位环境(a)、CSSG:Cr³⁺的激发发射光谱(b)、烧结气氛和助熔剂对发光强度的调控(c-e)。

图2 空气(a)和CO还原气氛下(b)制备的CSSG:Cr³⁺样品的XRD、SEM、EDS元素分布，XRD衍射峰强度(c)、SEM-CL单颗粒发光(d)。

图3 空气和CO还原气氛下制备的CSSG:Cr³⁺样品的XPS、DR、EPR结果。

将优化后的最佳样品与蓝光芯片结合制成NIR-LED器件，在520 mA电流驱动下，可以实现76.8 mW的近红外辐射（如图4所示）。

图4  a为CSSG:Cr³⁺近红外荧光粉；b为采用该粉体封装的NIR-LED；c和d分别为器件点亮后的照片；e-f为器件性能。

利用制作好的NIR-LED器件，作者在夜视方面进行了测试（如图5所示），照明光源分别为荧光灯和本次实验制作的近红外LED，用普通照相机和近红外照相机拍摄了四张照片。可以看到，在只以NIR-LED为光源照射下，用近红外相机拍摄的照片，可以很清楚地看到水杯上的logo，说明本工作中制作的NIR pc-LED具有很高的近红外辐射。

图5  NIR pc-LED器件应用

本工作提出的近红外发光材料性能优化方法简约且具有普适性，有望推动已知Cr³⁺激活近红外材料的优化，促进下一代近红外光源的发展。

论文地址：

https://doi.org/10.1038/s41377-020-0326-8