蓝光激发的宽带高效近红外发光材料设计及光谱调控机理研究

Broadband near-infrared light has important significances in food, medicine and agricultural products detection. The combination of blue chip and near-infrared luminescent material is an effective method to obtain broadband high-efficiency near-infrared light source. However, the high efficiency broadband near infrared materials still need to be developed. In this project, take the oxides as the research object, which have the variety of local crystal field lattice in the crystal. The cation substitution in matrix materials is proposed to regulate the crystal field of activated ions, and then control the emission band of phosphor. Take the Cr3+ or other transitional metal ions as the main activation ions, and the co-doping of transitional metal ions and rare earth ions are designed to improve the absorption efficiency and luminous efficacy and to obtain broader emission materials, and the energy transfer mechanism of the activated ions will be explained. In order to reveal the mechanism of broadband emission, low temperature fluorescence spectrum、EPR and structure refinement are used to analyze the luminescence site, valence state and lattice occupation of activated ions. The quantum yield will be tested with the scheme of "single optical path + single PMT", establishing a stable and reliable evaluation method of quantum yield. It is expected to obtain marketable and efficient NIR LEDs through the combination of the optimized NIR materials and blue chips.

宽带近红外光在食品、医药和农产品检测等领域具有重要的应用价值。蓝光芯片与近红外发光材料组合是实现宽带高效近红外光源的有效手段，而高效宽带发射的近红外发光材料还有待开发。本项目以具有多种局部晶体格位的氧化物为研究对象，设计通过基质材料中金属阳离子取代的方法，对激活离子的晶体场进行调控，实现对近红外发光材料发射谱的调控；以Cr3+等过渡金属离子为主要激活离子，通过过渡金属离子-稀土离子的共掺，实现宽带发射的同时，提高材料吸收率和发光效率；通过低温荧光光谱、顺磁共振和结构精修等技术对激活离子发光位置、价态和晶格占位进行分析，揭示宽带发射的机理；采用“单光路+单PMT”的方案对量子产率进行测试，建立稳定、可靠的量子产率的评估方法。通过优选的近红外发光材料与蓝光LED芯片结合，有望获得可市场化的高效近红外LED光源。

近红外光具有人眼不可见、在生物活体组织中穿透深度大且对被照物无损伤的特点，近红外光谱技术在安防监控、现代农业、食品安全、医学诊断等领域中展现出了重要的应用价值。高效稳定的近红外光源是近红外光谱技术中的重要组成部分。近红外发光材料转换型LED具有寿命长、效率高、成本低、结构紧凑和光谱可调等显著优势，是最具有市场前景的近红外光源之一，而所使用的近红外发光材料对该光源的性能起着关键作用，因此开发高效宽带近红外发射发光材料具有重要意义。本项目针对蓝光激发的宽带近红外发光材料种类缺乏、效率低的问题，以Cr3+为主要激活离子，开发了一系列的硼酸盐、氟化物和磷酸盐宽带近红外发光材料，并通过Cr3+-稀土离子共掺杂，实现提升材料的发光效率和热稳定性，并深入研究它们之间的能量传递机理。其中GdAl3(BO3)4:Cr3+材料在蓝光激发下，发射出650-950nm的宽带近红外光，发光内量子产率高达91%，该材料在150℃的高温下没有出现荧光热猝灭，体现出了其优异的发光热稳定性。此外，还开发了具有石榴石结构的氟化物近红外发光材料Na3Al2Li3F12:Cr3+，该材料在蓝光激发下，发射出650-1000 nm (峰值750 nm)的宽带近红外光，发光量子产率达78%，在150℃时的发光强度能够维持室温下的99%。在磷酸盐近红外发光材料的研究上，采用固相反应法制备了Cr3+掺杂的AlP3O9、NaAlP2O7、In2BP3O12等材料，深入研究了其近红外发光特征和荧光热猝灭机理。所开发的宽带近红外发光材料与蓝光LED芯片封装，获得了高效近红外光源，并在水果水分和新鲜度的分析及生物组织成像方面都表现出了良好的应用效果。在本项目资助下共发表SCI/EI论文共计6篇，申请发明专利5项，培养硕士研究生2名。