廣東工業大學ACS-AMI：同時具備寬的發射帶和出色的發光熱穩定性的氟化物近紅外發光材料ScF3:?Cr3+

引言

近紅外光譜技術由于具有方便、快速、無損等優點，在醫藥、生物成像、食品監測、夜視等領域得到了廣泛的應用。近年來，研究人員提出了將近紅外光譜技術集成到手機和其他便攜式電子設備的想法，以實現方便和快速的應用。在所有的技術解決方案中，熒光粉轉換型發光二極管(pc-LEDs)的應用前景最好。這一解決方案是將寬帶近紅外熒光粉涂覆在當前最高效已商業化的藍色LED芯片上，用藍光激發熒光粉實現寬帶近紅外發射。當前的迫切需求是同時具備寬的發射帶和優異發光熱穩定性的近紅外熒發光材料。近年來，Cr³⁺摻雜的寬帶近紅外熒光粉被廣泛報道。然而，LED芯片工作溫度（150℃）下，這些熒光粉的發射強度與室溫(RT)相比通常降低20%以上，這種溫度不穩定將導致在食品檢測、生物成像等應用中的不準確性。因此，開發一種既具有寬發射帶又具有優異發光熱穩定性的近紅外熒光粉具有重要的實用價值。

成果簡介

近日，廣東工業大學碩士研究生林秋明（第一作者）、牟中飛正高級實驗師（通訊作者）、吳福根教授（通訊作者）報道了一種Cr³⁺摻雜的氟化物熒光粉ScF₃:?Cr³⁺。在藍光激發下，ScF₃:?Cr³⁺熒光粉發射波長從700至1100 nm的近紅外光，半高寬達到140 nm。此外，該熒光粉表現出色的發光熱穩定性（ScF₃:?Cr³⁺在150℃的發射強度保持在室溫的85.5％）。進一步，我們將ScF₃:?Cr³⁺涂覆在藍色LED芯片上封裝了NIR pc-LED。測試結果表明，40?mA的驅動電流下，光電轉換效率為3.19%。該LED在夜視中具有良好的應用潛力。

圖文導讀

圖1?XRD與晶體結構

(a) 不同濃度的XRD：ScF₃:xCr³⁺(x = 0, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.06, 0.07)

(b) Cr³⁺濃度為0.05時，在不同合成條件NH₄F/Sc³⁺(y = 3, 4, 5, 6, 7, 8, 以下縮寫為SFy)下的XRD

(c) ScF₃的晶體結構

(d) SF6的XRD結構精修圖

圖2 形貌演化與形成機理

(a) SF3

(b) SF4

(c) SF5

(d) SF6

(e) ScF3形貌變化演示圖

圖3?SF6的發光性能

(a)SF6的PL和PLE光譜

(b)Tanabe?Sugano能級圖

(c)不摻雜與摻雜后的漫反射光譜

(d)SF6的EPR光譜

圖4?不同濃度與不同NH₄F/Sc³⁺的發光性能

(a)不同濃度的發光強度

(b)不同NH₄F/Sc³⁺的發光強度

(c)不同NH₄F/Sc³⁺的發光強度的柱狀圖

圖5?SF6熱穩定相關表征

(a)298K至473 K的發射光譜

(b)298K至473 K歸一化的發射光譜

(c)積分強度與峰值強度在298K至473 K的變化

(d)半峰寬與溫度擬合的曲線，計算得黃昆因子S=?01

(e)SF6的溫度循環穩定性

(f)弱晶體場中Cr³⁺離子的位形坐標圖

圖6?SF6封裝的pc-LED的性能

(a)不同驅動電流下的發射光譜

(b)不同驅動電流下的光電輸出功率和光電轉換效率

圖7?在夜視領域的應用

小結

綜上所述，該團隊研究了ScF₃：Cr³⁺的發光性能，采用簡單、綠色的水熱法成功合成了寬帶ScF₃:?Cr³⁺熒光粉。通過控制NH₄F/Sc³⁺前驅體的濃度，發現SF6樣品具有最佳的發光性能。在700~1100 nm范圍內表現出寬帶發射，半高寬為140 nm，峰值波長為853 nm。與RT相比，ScF₃:?Cr³⁺熒光粉在150°C下的發射強度可以保持85.5%，這是由于其較弱的EPC強度 (S = 3.01)， 較小的Stokes位移(2263 cm^?1)。在460 nm藍光LED芯片上制備了一種近紅外pc-LED器件。該LED器件在40 mA的驅動電流下的近紅外光電轉換效率為3.19%。采用近紅外圖像采集技術對水果進行夜視成像。本工作不僅為近紅外pc-LEDs的應用提供了一種有前景的發光材料，而且對研究不同合成條件對Cr³⁺摻雜氟化物發光性能的影響具有重要的指導意義。

文獻鏈接：Trivalent Chromium Ions Doped Fluorides with Both Broad Emission Bandwidth and Excellent Luminescence Thermal Stability?(ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 15, 18274–18282, https://doi.org/10.1021/acsami.1c01417)。

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