掺铬铝硅酸盐荧光粉（SrAl2Si2O8: Cr3+）的制备及其光学特性：该荧光粉具有694纳米的窄带荧光发射，所制备的发光二极管（LED）可作为偏振仪的光源

《Optical Materials》：Preparation and optical properties of chromium-doped aluminosilicate phosphor (SrAl 2Si 2O 8: Cr3+) with narrow-band 694 nm fluorescent emission and its LED used as a light source for a polarimeter

新型窄带发射Al?Si?O?:Cr3?磷光体制备及其在pc-LED和偏振仪中的应用研究。

　　

杨淑丹|高坤鹏|唐俊奇

云南师范大学物理与电子信息学院，昆明，650500，中国

摘要

红宝石R线（694纳米）在传感和光子学领域发挥着至关重要的作用，然而发现新的高效宿主材料仍然具有挑战性。在本文中，我们报道了一种新型的窄带发射铝硅酸盐荧光体（SrAl₂Si₂O₈: Cr³⁺），它是通过固态反应合成的。该荧光体在694纳米处展现出强烈的、尖锐的发射光谱，半高宽（FWHM）为3.04纳米，这种发射源于Cr³⁺的禁戒自旋²E→⁴A₂跃迁。该材料具有优异的热稳定性，在423 K时仍能保持室温下74.44%的发光强度。在最佳掺杂浓度（0.02摩尔Cr³⁺）下，其内部量子效率（IQE）为8.34%。值得注意的是，随着共掺杂K离子量的增加，发光强度也显著增强。对光致发光动态的详细分析表明，这种增强主要是由辐射跃迁率（k_r）提高了71.6%所驱动的，这表明局部晶场得到了优化。使用这种荧光体制成的荧光体转换LED（pc-LED）在100 mA电流下可实现56.45 mW的输出功率。这种pc-LED光源被用于替代传统偏振仪中的钠光源，以观察偏振面的旋转。本研究展示了一种新型的高性能红宝石线荧光体，并阐明了一种辐射跃迁率增强机制，为设计下一代窄带发光材料提供了实用策略。

引言

红宝石（α-Al₂O₃: Cr³⁺）在694纳米处的窄带R线发射在固态激光器^[1]、压力传感器^[2]和生物医学^[3]等应用中发挥了关键作用。Cr³⁺的发光对其局部配位环境和晶场强度非常敏感。在强晶场中（例如红宝石中），Cr³⁺会展现出尖锐的窄带发射，这种发射源于禁戒自旋的²E→⁴A₂跃迁^[4]。在弱晶场中，Cr³⁺会展现出宽带发射，这种发射源于允许自旋的⁴T₂→⁴A₂跃迁^[5]，而中等强度的晶场则可能导致这两种发射特征的共存^[6]。因此，合理选择宿主材料以调节激活剂周围的晶场强度是实现精确发射控制的基本策略^[7]。

近年来，关于Cr³⁺掺杂荧光体的研究主要集中在各种宿主晶格上的近红外（NIR）发射。在石榴石宿主中，LiAlO₂: Cr³⁺实现了宽带NIR发射^[8]，并通过Cr³⁺→Yb³⁺能量转移策略在Mg₃Gd₂Ge₃O₁₂中扩展了发射带宽^[9]。在尖晶石宿主中，Yu等人通过缺陷工程在Mg_0.9Al₂O_3.9: Cr³⁺中实现了超宽带发射，其内部量子效率（IQE）为87%，在423 K时的热稳定性为80%^[10]。与这些针对宽带发射体的广泛研究相比，探索能够促进窄带发射的新宿主材料的研究仍然较少，但同样重要。识别出能够提供足够强晶场以促进²E→⁴A_{2跃迁的晶格，将有助于扩展基于Cr³⁺的窄带荧光体应用范围。}

锶长石（SrAl₂Si₂O₈）是一种特别值得注意的长石材料。它具有由[AlO₄]和[SiO₄]四面体组成的坚固三维框架^[11]，为激活剂掺杂提供了稳定且坚固的位点。作为荧光体宿主，SrAl₂Si₂O₈已广泛研究了稀土掺杂剂的影响。例如，Ma等人^[12]通过Ce³⁺→Tb³⁺能量转移实现了可调的蓝绿色发射；Xue等人^[13]通过调节Eu²⁺/Eu³⁺比例开发了非接触式光学温度计。此外，还系统研究了掺杂了Dy³⁺、Tb³⁺、Sm^3+[14]和Eu^3+[15]的SrAl₂Si₂O₈荧光体。这些先例突显了锶长石基体的结构稳定性和化学多样性。然而，据我们所知，尚未系统研究过Cr³⁺在锶长石中的发光特性。

在这项工作中，我们系统地将Cr³⁺引入SrAl₂Si₂O₈宿主中，并通过高温固态反应合成了一系列SrAl_2-xSi₂O₈: xCr³⁺（x=0-0.06）荧光体。我们研究了其相结构、形态以及详细的光致发光特性，包括激发和发射光谱、热稳定性以及荧光衰减时间。进一步探讨了碱金属共掺杂对发射性能的影响，并通过制造荧光体转换LED（pc-LED）评估了该材料在器件集成中的适用性。除了作为红色发光源外，pc-LED还被用作偏振仪中传统钠灯的替代品，便于观察光学旋转现象。这些努力旨在评估SrAl₂Si₂O₈: Cr³⁺作为窄带红色荧光体的潜力，并探索其在光学仪器中的实际应用前景。

材料与合成

通过高温固态反应方法合成了一系列SrAl_2-xSi₂O₈: xCr³⁺（x = 0, 0.005, 0.01, 0.02, 0.04, 0.06）荧光体。所用原料包括碳酸锶（SrCO₃、氧化铝（Al₂O₃）、二氧化硅（SiO₂和氧化铬（Cr₂O₃），均来自上海麦克林生化科技有限公司（中国上海）。这些原料按化学计量比混合后放入玛瑙研钵中研磨一小时

相形成与晶体结构分析

首先通过X射线衍射（XRD）检验了合成后的SrAl_2-xSi₂O₈: xCr³⁺荧光体的相纯度和结构完整性。如图1a所示，无论掺杂浓度如何，所有Cr³⁺样品的衍射峰都与单斜晶系SrAl₂Si₂O₈的标准图案（JCPDS编号97-009-2752）一致，未检测到杂质相。这证实了单相材料的成功合成，并表明Cr³⁺的掺入并未改变其晶体结构

结论

总结来说，通过高温固态反应成功合成了一系列SrAl_2-xSi₂O₈: xCr³⁺荧光体。结构和光谱分析表明，Cr³⁺离子取代了锶长石晶格中的Al³⁺位点，形成了一个局部的晶场，使得在694纳米处发生了异常尖锐的²E→⁴A₂跃迁（半高宽约为3.04纳米）。该荧光体表现出优异的热稳定性，在423 K时仍能保持超过74%的室温发光强度

CRediT作者贡献声明

唐俊奇：撰写 – 审稿与编辑、验证、项目管理、资金获取。高坤鹏：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、方法论。杨淑丹：撰写 – 初稿撰写、方法论设计、实验研究、数据管理、概念构思

利益冲突

不存在需要声明的利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（NSFC，项目编号62165018）和云南省应用基础研究基金（项目编号202401AT070115）的财政支持。