学校在近红外发光材料的热稳定性研究取得新进展

近红外发光材料是近红外光源的重要部分。然而光源器件在工作过程中发热，温度可达到100-150°C，而在此环境下发光材料常常会出现热猝灭现象，发光强度随环境温度上升而显著下降。因此，亟需开发高效率，热稳定性高的近红外发光材料。近日，应用物理与材料学院发光材料与器件研究团队的温大尉博士与中山大学的吴明娒教授以及台湾大学的刘如熹教授合作，以近红外发光离子Cr³⁺掺杂CaScAlSiO₆-CaMgSi₂O₆辉石固溶体作为研究对象，通过晶体结构的无序至有序转变的策略设计，提高了辉石材料的结构刚性，材料的热稳定性明显得到改善。相关的研究成果发表在国际权威期刊Angewandte Chemie International Edition上（Dawei Wen, Hongmin Liu, Yue Guo, Qingguang Zeng, Rushi Liu，Disorder-order Conversion-induced Enhancement of Thermal Stability of Pyroxene NIR Phosphors， Angewandte Chemie International Edition 2022, DOI:10.1002/anie.202204411）。

图1. (a) CaScAlSiO₆的晶体结构，(b) CaMgSi₂O₆的晶体结构，
(c) CaSc_0.995-xMg_xAl_1-xSi_1+xO₆:0.5%Cr³⁺强度归一化发射光谱（激发峰450 nm），(d) CaSc_0.995-xMg_xAl_1-xSi_1+xO₆:0.5%Cr³⁺随温度变化的发光强度积分。

在辉石矿物CaScAlSiO₆晶体中，Al³⁺和Si⁴⁺以50% vs. 50%的占有率占据8个C格位。即4个Al³⁺和4个Si⁴⁺随机进入8个位置，根据数学计算，共有70种可能性。材料的发光性能受发光离子所处的局域环境影响。通过组合数学的穷举法结合密度泛函理论计算，深入分析所有可能性并计算电子结构和弹性性质。经过成分调控，可形成连续固溶体CaSc_0.995-xMg_xAl_1-xSi_1+xO₆:0.5%Cr³⁺，并完成从无序到有序的结构变化。随着固溶体彻底转化为有序的CaMgSi₂O₆:Cr³⁺，发射光谱蓝移，半峰宽变小，热稳定性能和量子效率都得到优化，同时徳拜温度也不断上升，从CaScAlSiO₆的561.86 K到CaMgSi₂O₆的675.63 K。

图2. (a) 460 nm蓝光芯片与CaMgSi₂O6:Cr₃₊荧光粉制成光源的光谱，(b) 随输入电流增加光源发光强度变化曲线，(c) 近红外光源结合红外相机探测研钵玛瑙杵的裂痕，(d) 近红外光源结合红外相机探测卡片内部芯片位置。

近红外光具有不可见、穿透性优良以及波长与有机分子吸收谱重叠等特点，在夜视防盗、材料和食品检测等方面有着巨大的应用前景。CaMgSi₂O₆:Cr³⁺发光材料通过与蓝光芯片组合后，CaMgSi₂O₆:Cr³能吸收大部分的蓝光并转化成近红外光，在各种工件中的表面和物体内部裂痕伤痕探测方面具有明显的应用优势。