【原】广工/台大《ACS AMI》: 将宽带短波红外发射强度提高了20倍！

近红外光源在众多领域获得越来越多的关注和应用，从近红外光谱学、光通信、夜视和安防、光动力治疗到生物医学成像等。特别是近红外光谱技术，作为一种远程、实时、非侵入性的工具，用于生物特征识别、健康监测、食品成分质量检验、环境监测等。荧光转换方式被公认为是一种有效实现低成本、高效宽带近红外LED光源的技术。如何制备一种高效的LED用宽带近红外荧光材料仍然是一大挑战。

来自台湾大学的刘如熹，广东工业大学的金亚洪、胡义华等人报道了Ni²⁺掺杂石榴石固溶体成功实现了宽带短波红外(SWIR)荧光材料，其发峰主峰位于1450 nm, 半高宽∼300 nm。该工作通过协同增强策略将宽带短波红外发射强度提高了20倍，同时将短波红外发射的耐热猝灭性能提升了近2倍。最后，将其封装成宽带短波红外LED光源，验证了在夜视照明以及透射检测方面的应用。相关论文以题为“Ni²⁺-Doped Garnet Solid-Solution Phosphor-Converted Broadband Shortwave Infrared Light-Emitting Diodes toward Spectroscopy Application”，发表在“ACS Applied Materials & Interfaces”上。

论文链接：

https://pubs./doi/10.1021/acsami.1c20084

图1. Ni²⁺掺杂SWIR荧光粉的光谱特性及协同增强策略研究。(a) YAGG-Ni的PLE (λ_em=1450 nm)和PL (λ_ex=400 nm)光谱。(b) YAGG-0.25% Ni样品在添加和不添加助熔剂N (N = K₂CO₃, Na₂CO₃, Li₂CO₃, LiF和H₃BO₃)时的相对SWIR发射强度。(c)样品YAGG-0.25% Ni-yH₃BO₃的相对SWIR发射强度(y = 0-15%)。(d)样品YAGG-0.25% Ni-zM (z = 0和0.25%，M = Sn, Si, Ge, Ti, Zr)的相对SWIR发射强度。(e)四个典型样品的相对SWIR PL强度和(f) PLQY.

不同助熔剂的添加对SWIR发射强度均有不同程度的提高，其中以H₃BO₃的引入提升SWIR发射强度效果最为显著。当H₃BO₃的添加量为10%时，强度提升最大，为不添加助熔剂的3倍。通过不同电荷补偿离子的引入对SWIR发射强度亦均有不同程度的提高，其中以Zr⁴⁺离子的引入提升SWIR发射强度效果最为显著，达到原本发射强度的2倍。当同时加入助熔剂和电荷补偿离子时，SWIR发光性能得到了得到意外的极大提升，实现了“1 + 1 > 2”其的效果，其发射强度提高了20倍，PLQY从8.2%提升至54%。

图2. SWIR发射温度依赖特性。(a) YAGG-Ni-Zr-H₃BO₃在300 ~ 575 K温度的下SWIR PL光谱。(b)四个典型样品的SWIR发射积分强度随温度关系。(c)样品YAGG-Ni-Zr-H₃BO₃的发射峰位置和FWHM随温度升高的关系。(d) YAGG-Ni-Zr-H₃BO₃的位型坐标图。

H₃BO₃与Zr离子的引入对YAGG-Ni材料的SWIR发射耐热性均有提升，二者同时引入时其SWIR发射强度在150 °C下能够保持室温的71% (通过计算得到其激活能为ΔE = 0.21 eV)，远远大于未引入助熔剂和电荷补偿离子时的38%。随着温度的升高，SWIR发射峰位会发生红移，FWHM也会慢慢变宽至336 nm。这分别归因于温度升高导致的晶体场强度减小和增强的电子-声子耦合效应。

图3. (a)制备的SWIR荧光粉YAGG-Ni-Zr-H₃BO₃和制备的SWIR LED器件在通电(b)和未通电(c)时的图片。(d)不同驱动电流下的SWIR光谱。(e)辐射通量随驱动电流从10-300mA的变化。(f) SWIR LED器件的转化效率。

图4. pc-SWIR LED器件的应用。(a)家用数码相机和SWIR数码相机分别在可见光和SWIR LED光源(b、c)下拍摄的橙子图片。(d)家用数码相机和SWIR数码相机分别在可见光和SWIR LED光源(e,f)下拍摄的一瓶牛奶的图片。

将所合成的SWIR荧光材料进行封装，得到pc-SWIR LED器件。并初步实现了其夜视照明以及利用SWIR穿透性进行透视检测的相关应用。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。