Chem. Mater. | Yb³⁺共掺LiScP₂O₇:Cr³⁺荧光粉的近红外发光增强及光谱调控

英文原题：Enhancing Near-Infrared Photoluminescence Intensity and Spectral Properties in Yb3+ Codoped LiScP2O7:Cr3+

通讯作者：邵起越, 东南大学

作者：Leqi Yao (姚乐琪), Qiyue Shao (邵起越), Shouyu Han (韩寿雨), Chao Liang (梁超), Jinhua He (何锦华), Jianqing Jiang (蒋建清）

通过将宽带近红外荧光转换型LED(pc-LED)与智能手机等可佩戴电子产品集成，可构建紧凑型近红外光谱仪，从而实现食品质量、人体健康等领域的实时监控。近红外(NIR)荧光粉作为实现光转换功能、提供宽带光谱输出的核心组件，近年来受到了广泛的关注。目前，商用领域尚无成熟的NIR荧光粉供应，文献已报道的NIR荧光粉也存在诸多局限性，如发射峰波长短、可见光发射成分高、量子效率低、热稳定性差等。

近日，东南大学邵起越教授课题组提出一种新型NIR荧光体系LiScP₂O₇:Cr³⁺ (LSP:Cr³⁺)，其表现出纯的近红外宽带发射(750-1100nm)，峰波长位于880nm，半高宽FWHM约170nm，且其在可见光区的宽吸收带可很好匹配蓝光或红光芯片激发(图1a)。对于发光离子Cr³⁺而言，其发射波长及光谱特征高度依赖晶体场环境。通常，弱晶体场下，Cr³⁺可呈长波可调宽带发射(⁴T₂ → ⁴A₂)。但Cr³⁺离子与基质晶格耦合作用强，长波发射下意味着发射能级与基态能隙小，导致无辐射跃迁几率高，发光热猝灭较为严重，这也是目前NIR荧光粉研究面临的主要瓶颈问题。LSP:Cr³⁺在蓝光激发下表现出优异的NIR宽带发射光谱特征，但同样面临着内量子效率(IQY)低(~38%)和发光热猝灭较严重(~42%@100℃)的问题(图1b、c)。

图1. (a) LSP:0.06Cr³⁺的激发、发射光谱；(b)LSP:0.06Cr³⁺的量子效率测试光谱；(c)LSP:0.06Cr³⁺在不同温度下的发射光谱

基于以上问题，作者进一步将Yb³⁺离子引入LSP:Cr³⁺体系中。利用Cr³⁺→Yb³⁺的有效能量传递，Yb³⁺发射补充了LSP:Cr³⁺位于~1000 nm处的发光，使其发射半高宽进一步拓展至210 nm，更好满足了商业应用中的需求(图2a)。同时，Yb³⁺共掺显著增强了LSP:Cr³⁺体系的内量子效率(从38%增至74%)和发光热稳定性(从42%@100℃增至 79%@100℃) (图2b, c)。基于荧光寿命及量子效率表征，提出了一种定量分析荧光粉内部能量分配的方法，揭示了发光性能增强机制(图3)。LiScP₂O₇基质中，Cr³⁺离子发光效率低，且易发生热猝灭；而Yb³⁺发光效率高，且热稳定性优异。引入Yb³⁺后，Cr³⁺→Yb³⁺的能量传递与Cr³⁺本身的无辐射跃迁形成了有效的竞争关系，大幅抑制了能量热损耗，从而使量子效率和发光热稳定性得到显著提升。

图2. (a) LSP:0.06Cr³⁺, yYb³⁺的发射光谱；(b)LSP:0.06Cr³⁺, yYb³⁺的量子效率；(c)LSP:0.06Cr³⁺, yYb³⁺不同温度下的发光强度

图3. (a)、(b) LSP:0.06Cr³⁺, yYb³⁺的荧光衰减曲线；(c)LSP:0.06Cr³⁺, yYb³⁺的能量传递、辐射跃迁和无辐射跃迁效率；(d)Cr³⁺→Yb³⁺的能量传递示意图

此外，作者通过将制备的NIR荧光粉与商用LED蓝光芯片复合，制成了一系列宽带NIR发射的pc-LED器件(图4)。在100 mA电流(~3V)驱动下，器件最大NIR光输出功率36 mW，相应的NIR光电转换效率约12%。

图4. (a) NIR pc-LED器件的发射光谱；(b)、(c)不同驱动电流下NIR pc-LED器件的光输出功率和光电转换效率

作者设计并制备了一种光谱结构较为优异的新型近红外荧光体系，且采用Yb³⁺共掺的方式拓宽了其发射光谱，增强其量子效率及热稳定性，并深入分析了发光增强机理。这为NIR荧光粉的进一步研究提供了新的途径和思路。

这一成果近期发表在Chemistry of Materials上，文章第一作者为东南大学博士研究生姚乐琪，通讯作者为邵起越教授。

Chem. Mater. 2020, ASAP

Publication Date: February 27, 2020

https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.9b04934

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