中国计量大学傅继澎团队Small Structures | 实现高效稀土近红外发光材料突破：探索新型近红外光源应用

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原文信息

文献速读

近红外光源虽潜力巨大，但缺乏窄波长、高可靠性的蓝光激发高效稀土近红外发光材料，特别是波长超1000nm的，严重阻碍了近红外pc-LED技术发展。在此背景下，本研究创新性地采用Ce³⁺与Nd³⁺共掺杂策略，针对SrS基近红外发光材料进行深度优化。通过精心构建Ce³⁺至Nd³⁺的能量传递通道，不仅显著提升了材料的发光效率，还增强了其热稳定性，为近红外光源的稳定性与可靠性探索出了一条新路径。为进一步揭示性能提升的内在机制，本研究结合了详尽的结构分析与先进的密度泛函理论（DFT）计算，深入探讨了掺杂离子对晶格结构的影响及其如何减弱热淬灭效应、提升内部量子效率。这些发现不仅深化了我们对稀土掺杂发光材料物理特性的理解，更为设计未来高效稳定的近红外光源材料提供了宝贵的理论指导与实践方向。

正文导读

随着生物医学技术的飞速发展，近红外光源凭借其卓越的深层组织穿透能力及在疾病诊断与治疗中的独特优势，正逐步成为未来医学应用的焦点。然而，当前近红外光源市场面临关键挑战：缺乏同时具备窄波长分布与高度可靠性的光源，尤其是蓝光激发的高效稀土近红外发光材料匮乏，特别是波长超过1000 nm的蓝光激发NIR荧光粉，严重制约了近红外荧光转换发光二极管（pc-LED）的技术进展。

在这项工作中，通过高温固相法合成了一系列稀土掺杂SrS近红外荧光粉。利用X射线吸收精细结构谱（EXAFS）、固体核磁共振（NMR）、电子顺磁共振（EPR）等手段研究了掺杂离子的晶格参数和占据情况，进一步证明了能量转移和增强机制，如图1所示。

图1 样品在Sr K边的EXAFS光谱及EPR光谱

系统地研究了Nd3+单掺杂、Nd³⁺，Ce³⁺共掺杂和Nd³⁺，Ce³⁺，Na⁺三掺杂荧光粉的光致发光光谱，衰减曲线以及内外量子效率，如图2-4所示。实验结果显示，该复合材料在蓝光LED激发下，发光峰值位于1070 nm，有效填补了该波段高效近红外光源的空白。

图2 SrS: Nd3+近红外荧光粉的光致发光光谱和衰减曲线

图3 SrS: Nd³⁺, Ce³⁺近红外荧光粉的光致发光光谱、衰减曲线以及能量传递示意图

图4 SrS: Nd³⁺, Ce³⁺, Na⁺近红外荧光粉的光致发光光谱、衰减曲线以及量子效率

进一步，我们还研究了三种荧光粉的热稳定性，测试了不同温度下的发射光谱。可以看到随着温度的升高，三种荧光粉都出现了热猝灭效应。不过随着掺杂离子的增加，在393K时，SrS: Nd³⁺, Ce³⁺, Na⁺荧光粉的归一化积分发射强度仍保持初始强度的91.8%，具有良好的热稳定性，如图5，6所示。

图5 SrS: Nd³⁺和SrS: Nd³⁺, Ce³⁺近红外荧光粉的温度依赖性发光光谱

图6 SrS: Nd³⁺, Ce³⁺, Na⁺近红外荧光粉的温度依赖性发光光谱

最后，将SrS: 0.01Nd³⁺, 0.02Ce³⁺, 0.04Na⁺样品与430 nm LED芯片结合制备了NIR LED，在穿透成像和医疗领域表现出令人满意的性能，如图7，8所示。

图7 药瓶和手指在自然光和NIR-LED光下拍摄的图像

图8 NIR LED照射下手掌温度监测示意图

综上所述，这项工作合成了一系列窄带、以1070 nm为发光中心的SrS: xNd³⁺（0.001≤x≤0.0202）、SrS: 0.01Nd³⁺, yCe³⁺（0≤y≤0.05）和SrS: 0.01Nd³⁺, 0.02Ce³⁺, mNa⁺（0≤m≤0.05）NIR荧光粉。通过光致发光光谱和温度依赖光谱揭示了Nd的全发光性能和增强策略。利用EXAFS、NMR、EPR和DFT方法揭示了掺杂离子的晶体学畸变机制和几何形状。优化后的三掺杂样品的内部量子效率从31.7%提高到42.8%。此外，随着温度升高到393 K，热稳定性保持了91.8%的发射强度。本研究不仅代表了近红外光源技术的重要突破，也为生物医学成像、精准医疗等多个领域的发展开辟了广阔的应用前景，展现了科学研究在推动技术创新与产业升级中的关键作用。

期刊简介

Wiley旗下的Small Structures创立于2020年。作为Small的姊妹期刊，Small Structures旨在成为发表关于亚宏观尺度结构研究的多学科、跨领域、顶尖旗舰期刊。稿件领域包括但不限于化学、物理、材料、工程和生命科学，类型包括原创研究、综述、展望、评论等。期刊最新引文指标为1.41，最新影响因子为13.9（2023）。

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