高效宽带近红外荧光粉Ca3ZrNbGa3O12: Cr3+, Yb3+在pc-LED应用中的突破性进展

本文推荐一种新型石榴石结构近红外荧光粉Ca3ZrNbGa3O12: Cr3+, Yb3+（CZNGO），通过高温固相法合成，在342 nm激发下实现650-1150 nm宽带发射，量子产率（PLQY）提升至69.3%，热稳定性显著增强。该材料与365 nm LED芯片集成制备的NIR pc-LED器件，在生物成像和无损检测领域展现巨大应用潜力。

　　

1 引言

近红外光（NIR，700-1700 nm）在食品分析、生物穿透检测等领域具有独特优势，但传统光源（如卤素灯）存在效率低、体积大等问题。荧光转换型近红外发光二极管（NIR pc-LED）因其小型化、高效率特性成为研究热点，其核心挑战在于开发高性能近红外荧光材料。Cr³⁺离子因其3d³电子构型和可调谐发射特性成为理想激活剂，但现有材料普遍存在半峰宽（FWHM）窄、热稳定性差等缺陷。石榴石结构（化学通式[A]₃[B]₂[C]₃O₁₂）因其优异机械/热学性能成为优选基质，而Yb³⁺的引入可通过²F_5/2→²F_7/2跃迁拓宽光谱范围并提升能量传递效率。

2 实验方法

采用高温固相法合成CZNGO: Cr³⁺, Yb³⁺系列荧光粉，以H₃BO₃为助熔剂，1450°C煅烧6小时。通过X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）验证晶体结构，使用荧光光谱仪（FLS1000）测定光致发光（PL）性能，量子产率测试采用积分球附件结合标准BaSO₄散射参照。

3 结果与讨论

3.1 晶体结构分析

VESTA建模显示CZNGO为Ia-3d空间群，Cr³⁺优先占据Nb⁵⁺位点（离子半径匹配）。XRD谱与标准卡片（PDF-040025075）完全吻合，XPS证实Cr³⁺以2p_3/2（579.3 eV）和2p_1/2（588.3 eV）态存在，未检测到Cr⁴⁺。

3.2 光致发光特性

CZNGO:0.7% Cr³⁺在342 nm激发下呈现783 nm主发射峰（⁴T₂→⁴A₂跃迁），FWHM达129 nm。引入8% Yb³⁺后，能量传递效率提升至64.1%，PLQY从41.4%跃升至69.3%，150°C热稳定性从36.06%改善至43.06%。Yb³⁺的²F_5/2→²F_7/2跃迁在970 nm处形成新发射中心，协同拓宽光谱至1200 nm。

3.3 器件应用

将优化后的荧光粉与365 nm LED芯片集成，成功制备NIR pc-LED器件，发射光谱覆盖生物组织透射窗口（700-1000 nm），验证了其在活体成像等领域的应用潜力。该研究为设计高效宽带近红外荧光材料提供了新思路，解决了现有材料FWHM窄、热猝灭严重等关键问题。