科研人員開發出高性能熒光粉助力農林產業高質量發展
Chen Jin a b, Rui yang Li b, Yong fu Liu b*, Chun hui Zhou a*, Peng Sun b, Zhao hua Luo b, Ze hua Liu b, Jun Jiang b*
High-performance Gd3Al4GaO12:Cr3+ phosphors for next-generation far-red LEDs,
Materials Research Bulletin, 2023, 163, 112234
Access PDF reprints （Share Link, 50 days' free access to the article）:
https://authors.elsevier.com/c/1gn3V5pglhgSy
Materials Research Bulletin, 2023, DOI: //doi.org/10.1016/j.materresbull.2023.112234
High-performance Gd3Al4GaO12:Cr3+ phosphors for next-generation far-red LEDs,
Materials Research Bulletin, 2023, 163, 112234
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Materials Research Bulletin, 2023, DOI: //doi.org/10.1016/j.materresbull.2023.112234
深紅（Far-red, FR）和近紅外（Near-infrared, NIR）光譜技術具有穿透性強、無損、特征吸收等優點，被應用于生物成像、夜視、食品檢測、植物生長等領域。眾所周知，紅/光敏色素（Red/photosensitive pigment, PR）和深紅/光敏色素（Far-red/phytochrome, PFR）在植物生長起著重要作用，如調節開花、葉以及莖的膨大等。PFR在730 nm處有吸收，帶寬約為80 nm。由FR/NIR熒光粉和藍光芯片結合制造的熒光轉換發光二極管（Phosphor-converted light-emitting diodes, pc-LED），由于體積小、輻射通量高、耐用性好等優點，是目前最有前途的FR/NIR發光器件。然而，FR/NIR熒光粉的低外量子效率和較差的熱穩定性，是阻礙FR/NIR pc-LED的光電轉換效率提高及其探究新應用的關鍵瓶頸。開發具有合適的光致發光、滿足PFR吸收并在藍光下高效激發的熒光粉是如今面臨的挑戰。
目前，FR熒光粉主要由Eu2+、Mn2+/Mn4+或Cr3+離子激活。Cr3+的3d3電子結構取決于基質的晶體場強度。因此，通過對基質材料的組分優化，Cr3+表現出從尖峰到寬頻帶的可調發射。Cr3+摻雜石榴石基熒光粉具有從FR到NIR區域的可調發射。石榴石礦物，可以由多個原子形成固溶體，表現出可調節的晶體場。例如，Gd3Ga5O12: Cr3+在藍光下發射700 ~ 760 nm的光，適合PFR吸收。因此，Gd3Ga5O12: Cr3+被認為是有前途的光形態發生FR pc- LED熒光材料。但是，采用溶膠-凝膠燃燒法制備的粉末的內量子效率僅為30%。將制備方法改為高溫固相法，內量子效率提高到90.3%。例如，將離子半徑較小的Lu3+和Al3+引入Gd3Ga5O12:Cr3+中，通過替換Gd3+和Ga3+，在Gd3-xLuxGa4AlO12:Cr3+中形成中間晶體場。組分取代使光譜略微藍移，在728 nm處的發射適合于PFR。此外，EQE為32%，在150℃時，熱穩定性保持 在室溫下的75%?；贕d3Ga5O12:Cr3+熒光粉制備的FR pc- LED對植物生長的光形態建成有積極的影響。目前所報道的FR pc-LED的光電轉換效率在100mA時僅為15%左右。
近期，浙江工業大學化學工程學院和中國科學院寧波材料技術與工程研究所的研究人員合作，通過調節Al/Ga比，開發了一種優良的FR熒光粉Gd3Al4GaO12: Cr3+(GAGG:Cr3+)。在燒結過程中采用高溫固相法加入H3BO3作為助熔劑。GAGG: Cr3+具有中間晶體場，在650 ~ 850 nm范圍內呈現寬帶。半高寬為71 nm，激發峰約為734 nm，與PFR吸收相匹配。通過優化H3BO3和Cr3+的濃度，外量子效率提高到47.2%，在150℃時熱穩定性保持在室溫的96.8%。由于其優異的性能，由GAGG: Cr3+熒光粉制造的FR pc-LED在100mA下光電轉換效率達到24%。這表明GAGG: Cr3+材料在下一代FR光源中具有良好的性能和應用前景。該工作日前以題為“High-performance Gd3Al4GaO12:Cr3+ phosphors for next-generation far-red LEDs”—— 發表在材料科學與工程領域的重要刊物《Materials Research Bulletin》上。
新方法采用高溫固相法制備了具有石榴石結構的純相Gd3Al4GaO12:Cr3+熒光粉，該制備工藝簡單，重復性好，具有工業化制備粒徑為10 nm左右的 Gd3Al4GaO12:Cr3+熒光粉的潛力。歸因于所開發的GAGG:Cr3+熒光粉良好熱穩定性和優異外量子效率的協同優化，與藍光芯片結合制備的FR pc-LED器件的優異性能（10mA下光電轉換效率為33.5%），其吸收帶與植物的吸收相匹配，這些研究表明，GAGG:12%Cr3+熒光粉可以被450nm藍光捕捉，并應用于下一代植物生長以及農作物生產等照明設備。
Graphical abstract
a
College of Chemical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, PR China
b
Ningbo Institute of Materials Technology & Engineering, Chinese Academy of Sciences, Ningbo 315201, PR China
Received 14 February 2023, Revised 7 March 2023, Accepted 14 March 2023, Available online 15 March 2023, Version of Record 20 March 2023.
（J Chen 編報）
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