深红色发光Sc1.6Al0.4W3O12:Cr3+荧光粉的合成及其发光特性，用于植物生长照明

《Journal of Luminescence》：Synthesis and luminescence properties of deep-red-emitting Sc 1.6Al 0.4W 3O 12: Cr3+ phosphor for plant growth lighting

Cr3+共掺杂Al3+的负热膨胀Sc?(WO?)?基质深红磷光体，通过增强晶体场实现696nm窄带发射，匹配植物PFR吸收，热稳定性优异（423K保留61.9%强度）。

　　
本文聚焦于Sc?(WO?)?基材料中Al3?/Cr3?共掺杂体系对深红磷光体性能的调控机制及其在植物生长照明中的应用潜力。研究团队通过固相反应法成功制备了系列Sc?.?Al?.?W?O??:Cr3?深红发光材料，重点考察了掺杂比例对晶体场环境及热稳定性的影响。

研究背景方面，植物生长光生物学研究已明确指出，PFR phytochrome吸收峰位于690-790nm范围，深红光对调控光合作用、茎叶伸长及开花程序具有关键作用。当前植物生长LED面临的主要技术瓶颈在于如何实现发射峰与PFR吸收光谱的精准匹配，同时维持高温下的光稳定性。传统钨酸盐基质因热膨胀系数较大（典型值＞5×10?? K?1），高温下晶格畸变导致Cr3?非辐射跃迁增强，发光效率显著衰减。例如，常规钇铝石榴石（YAG）基深红磷光体在150℃时发光强度损失超过50%，这严重制约了其在植物工厂等高温应用场景的推广。

在材料设计层面，研究团队创新性地采用Sc?(WO?)?负热膨胀基质。该材料具有独特的低温膨胀（25-300K范围内体积随温度升高而缩小）特性，源于Sc3?八面体配位环境中存在强烈的Jahn-Teller畸变。这种特性可显著抑制高温下晶格振动导致的发光猝灭效应。同时，通过引入Al3?取代Sc3?，形成Al3?-Cr3?协同掺杂体系。Al3?的引入不仅补偿了Sc3?的缺失（Sc3?半径88.5pm，Al3?83.1pm），更通过静电场调控增强Cr3?的晶体场环境。具体表现为：Al3?掺杂使晶场参数Dq/B从基质的2.1提升至2.7，促进Cr3?的2E→?A?特征跃迁，发射峰从常规钨酸盐体系的650-680nm蓝移至696nm，与PFR吸收峰（约695nm）实现精准匹配。

合成工艺采用优化配比的固相反应法：原料Sc?O?（纯度99.9%）、Al?O?（99.99%）、Cr?O?（分析纯）与WO?（工业纯）按Sc?.?Al?.?Cr?.??5W?O??的摩尔比混合，经1小时球磨后，在1573K（≈1300℃）空气中烧结6小时。XRD分析显示所有样品均保持正交晶系（空间群Pbnm）特征，衍射峰位与标准谱图（PDF#01-089-4690）吻合度达99.5%以上，证实Al3?与Cr3?的均匀掺杂并未引入新相或杂质相。

性能测试表明，最佳掺杂比例（Sc?.?Al?.?W?O??:0.25%Cr3?）在406nm紫外光激发下，产生半峰宽仅32nm的尖锐发射峰（696nm），与文献报道的PFR吸收峰（695±5nm）完全契合。对比实验显示，当温度从室温升至423K（≈150℃）时，发光强度保持率高达61.9%，较传统YAG基磷光体（35-40%）提升60%以上。这种显著的热稳定性提升源于双重机制：一方面，Al3?掺杂产生的局部晶格畸变增强了Cr3?的配位数，抑制了声子耦合导致的非辐射跃迁；另一方面，Sc?(WO?)?基质的负热膨胀特性（热膨胀系数-3.2×10?? K?1）在150℃时使晶格收缩率达0.12%，有效降低了晶界缺陷密度。

应用验证部分，基于该磷光体的pc-LED器件测试显示，在410nm芯片驱动下，发光光谱与PFR吸收光谱的重叠度达78.3%，远超传统ZnO基（52.1%）和CaAl?O?基（63.8%）深红LED。稳定性测试表明，连续工作1000小时后发光强度衰减仅8.7%，显著优于商业LED的15-20%年衰减率。这得益于材料中Al3?的协同作用，其离子半径（83.1pm）与Sc3?（88.5pm）的匹配度达94%，既维持了负热膨胀的基质框架，又通过静电相互作用优化了Cr3?的局域环境。

在机制分析方面，研究揭示了Al3?掺杂对晶场环境的调控规律：当Al3?取代量达到20%（Sc?.?Al?.?）时，Cr3?所在WO?2?八面体的配位数从基质的6.2降至5.8，但配位数降低反而增强了静电场的强度（Dq值从1.2eV增至1.4eV）。这种反常现象源于Al3?的较小的离子半径导致的晶格压缩效应，使Cr3?的电子跃迁所需的能量差增大，从而抑制了声子辅助的非辐射跃迁。

工业化应用方面，研究团队与深圳某精密光学企业合作，开发出具有自主知识产权的ScAlW3O12:Cr3?深红LED模块。经植物生理学实验验证，该光源在叶绿素合成效率、茎节伸长速率等关键指标上较传统红光LED提升23%-28%，且在300K（27℃）环境下的光衰率仅为0.15%/天，满足植物工厂24小时连续供光的稳定性要求。

该成果突破性地解决了深红光LED的两个核心难题：一是通过晶格工程实现发射峰的精准调控（±0.3nm），二是利用负热膨胀材料构建温度自适应发光体系。研究过程中建立的"Al3?掺杂量-晶场强度-发光波长"定量关系模型，为后续开发多色植物生长光源提供了理论框架。目前该材料已通过江西省新材料检测中心的光谱性能认证，其热稳定性指标达到国际领先水平（接近美国NIST标准物质BVO-3的68.3%）。

研究团队特别指出，该体系具有扩展性，通过调整Al3?/Cr3?掺杂比例（0.1%-0.5%Cr3?），可在680-720nm范围内实现连续可调的深红发射光谱。这为适配不同植物物种的光形态建成需求提供了技术储备。实验数据表明，在650-750nm范围内，该磷光体的相对发光效率（RLE）始终保持在85%以上，显著优于ZnAl?O?（RLE 68%）和LaVO?（RLE 75%）等传统材料。

该研究已获得国家自然科学基金会（52562020，52362021）和江西省功能分子材料重点实验室（20212BCD42018）的资助支持。研究过程中形成的4项发明专利（ZL2023XXXXXX.X，ZL2023XXXXXX.X等）为产业化应用提供了知识产权保障。目前相关技术已进入中试阶段，预计2025年可实现年产500吨深红LED专用荧光粉的规模化生产。

该成果的突破性体现在三个方面：首先，首次在Sc?(WO?)?体系中实现Al3?/Cr3?协同掺杂，构建了新型负热膨胀发光体系；其次，通过晶格工程将深红光发射波长精准锁定在PFR吸收峰中心；最后，建立材料热膨胀系数与发光稳定性之间的定量关联模型，为开发新一代植物生长光源提供了理论指导。这些创新点在材料科学和光电子学领域均具有重要学术价值，相关技术路线已获得深圳某上市企业的技术转让协议。