近日，东南大学材料学院邵起越课题组在《Advanced Optical Materials》上发表了题为“Efficient Ultra-broadband Ga4GeO8:Cr3+ Phosphors with Tunable Peak Wavelengths from 835 to 980 nm for NIR pc-LED Application ”的研究论文。
该工作提出了一种新型宽带近红外荧光粉Ga4GeO8:Cr3+，可实现Cr3+多格位发光，发光覆盖700–1300 nm近红外波段，且具有高的量子效率和热稳定性；由于不同Cr3+发光中心间的能量传递，峰波长可在835–980 nm范围大幅可调。并制备了宽带近红外LED器件，可实现水果成分和新鲜程度的无损伤分析。
近红外荧光转换型发光二极管（pc-LED）作为新一代近红外固态光源，兼具尺寸紧凑、高效率、宽带输出等优点，通过与便携式电子设备集成，可构建微型化近红外光谱分析模块，实现食品成分/质量或人体健康的实时监控。荧光粉是近红外pc-LED 器件的核心材料，近年来受到广泛关注。诸多性能优异的近红外荧光粉体系陆续被报道，但高效体系主要集中在峰波长小于800nm的短波区域。当发射峰波长超过850 nm时，近红外荧光粉往往表现出较低的发光效率和严重的热猝灭，成为制约近红外pc-LED大规模应用的主要因素。这是由于随着发射峰波长的红移，基态与激发态能隙变窄，从而非辐射跃迁几率增加，发光热稳定性恶化。
针对这一问题，邵起越教授课题组开发了一种新型的Ga4GeO8:Cr3+近红外荧光材料，其在波长大于850 nm区域表现出高效近红外发射。
近红外光谱分析要求光源提供宽带连续近红外光输出，但发射波长红移往往伴随量子效率降低和热猝灭加剧，因此，高效长波发射近红外荧光粉（λmax > 850 nm）的研发是该领域的研究重点。该课题组研发的Ga4GeO8:Cr3+近红外荧光粉实现了700–1300 nm的超宽带发射，并表现出较为优异的量子效率和热稳定性。此外，简单通过调节Cr3+的掺杂浓度可实现发射峰波长835–980 nm大幅可调，同时其半峰宽从210 nm展宽至270 nm。并且其发射峰波长850–900 nm范围红移无明显的发射强度损失。当发射峰波长位于850 nm时，其内、外量子效率分别为60%和27%，100oC可保持室温强度的73%。结合结构表征和时间分辨光谱分析，发现Cr3+可占据基质内局域环境不同的多种格位，Cr3+多格位发光产生超宽带近红外发射；同时，存在高能量Cr3+发光中心向低能量中心的能量传递，导致发射峰波长随Cr3+浓度升高而大幅红移。最后，利用Ga4GeO8:Cr3+荧光粉与蓝光LED芯片封装制成了近红外pc-LED器件，最大近红外光输出功率为56 mW，并利用该光源验证了对水果成分和新鲜程度的非损伤分析。该团队的工作提供了一种综合性能较为优异的新型近红外荧光粉，在宽带近红外pc-LED领域表现出显著的应用潜力。
东南大学材料科学与工程学院为第一完成单位，博士生姚乐琪为第一作者，邵起越教授为通讯作者。
论文DOI: 10.1002/adom.202102229