华南理工大学夏志国LPR：高效近红外发射Na2SrGe6O14：Cr3+Yb3+全析晶玻璃陶瓷及其W级输出LED光源

2023/11/30 | 作者：BOB体育地址

　　原标题：华南理工大学夏志国LPR：高效近红外发射Na2SrGe6O14:Cr3+,Yb3+全析晶玻璃陶瓷及其W级输出LED光源

　　创新点：最近，华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室夏志国教授课题组通过高温急冷制备Na2SrGe6O14:Cr3+, Yb3+(NSGO:Cr/Yb)玻璃前驱体，并以全析晶的方式研发出外量子效率(EQE)达49.2%的超宽带近红外发射玻璃陶瓷块体。玻璃陶瓷中Yb3+离子的共掺实现了相比于粉体更有效的Cr3+→Yb3+能量传递，以此来实现近红外一区/二区的共同发射以及热稳定性的改善。所制得NIR LED器件光电效率高达19.1%，在600 mA下能轻松实现0.922W的W级输出。

　　图2 a) NSGO:0.036Cr玻璃在不同热处理下的发射光谱图。b) 全析晶NSGO:0.007Cr的发射光谱及高斯分峰拟合。c) NSGO:Cr玻璃和晶体结构图以及晶体场强。d) 全析晶玻璃陶瓷和粉体的吸收系数和外量子效率。

　　图3 a) NSGO:Cr/Yb固相法合成粉体与玻璃陶瓷物相图。b) NSGO:Cr/Yb 玻璃陶瓷和玻璃、固相法合成粉体的发射光谱图。c) NSGO:Cr/Yb玻璃与玻璃陶瓷在监测不同波长下的激发光谱。d) NSGO:Cr/Yb的发光衰减图。e) NSGO:Cr/Yb玻璃陶瓷和固相法合成粉体的吸收光谱图。f) NSGO:Cr/Yb玻璃陶瓷发光强度随气温变化图。

　　图4 a) 玻璃陶瓷转换型发光二极管(GCc-LED)结构示意图。b) 荧光粉转换型发光二极管(pc-LED)结构示意图。c) NIR GCc-LED的器件与点亮后的图片。d) NIR LED器件发射的NIR光穿透手手掌成像图。e) 无可见光房间内使用制备的NIR LED进行NIR补光图。

　　宽带近红外 (NIR) 光源在成分分析检测、植物照明、生物成像、夜间监控隐蔽式补光等领域存在广泛的应用。近年来，由于高效蓝光LED芯片的成熟，Cr3+离子掺杂的近红外荧光粉转换型发光二极管(NIR pc-LED)成为一种非常关注的光源形式。其中，开发高外量子效率(EQE)、高热稳定性、宽的半峰宽的NIR荧光体是实现微型高效NIR光源的关键。但是荧光粉粉体间严重的界面散射限制了其对蓝光的吸收系数(Abs)，进而限制了EQE，此外粉体低的热导率使得其在大功率应用时无法有效散热从而引起热猝灭。

　　最近，华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室夏志国教授课题组制备了一种能形成玻璃的Na2SrGe6O14:Cr3+(NSGO:Cr)体系，将高温急冷形成的玻璃作为前驱体研发出致密的全析晶玻璃陶瓷块体，有效提升了Abs，进一步实现了EQE高达49.2%的超宽带近红外发射(半峰宽 = 214 nm)。此外在玻璃陶瓷中通过Yb3+离子的共掺杂实现NIR-I/NIR-II的共同发射以及热稳定性的改善(@150℃由30.1%提升至65.0%)。在50 mA电流驱动下，所制得NIR LED器件光电效率高达19.1%，在600 mA下能轻松实现0.922W的W级输出。该近红外发光块材在夜间隐蔽式补光和生物组织穿透成像有着广阔的应用前景。相关论文在线发表在Laser & Photonics Reviews上。

　　Cr3+离子和Yb3+离子在NSGO:Cr/Yb玻璃中表现出特征的d-d跃迁吸收和f-f跃迁吸收（图1a）。差热分析显示NSGO:Cr/Yb的玻璃转变温度在565 ℃左右而析晶温度点位于650 ℃左右，随着Cr3+和Yb3+浓度的增加，析晶放热效应逐渐减小（图1b）。随着热处理温度和时间的增长，NSGO:Cr玻璃中逐渐析出玻璃同组分的NSGO晶体并能轻松实现全析晶玻璃陶瓷（图1c）。所有组分的NSGO:Cr/Yb 玻璃均能轻松实现全析晶（图1d-e）。

　　Cr3+在NSGO:Cr玻璃中表现为极弱的峰位位于900 nm的发射，随着晶体的不断析出以及生长趋于完整，NSGO:Cr玻璃陶瓷(GC)的发光强度逐渐增强，全析晶的GC发光强度为玻璃的27.4倍（图2a）。两个峰位位于780 nm和857 nm的高斯峰构成了NSGO:Cr GC的超宽带发射，这两个发光中心分别来自NSGO晶体结构中的[GeO6]八面体和[GeO4]四面体，晶体场从玻璃Dq/B = 1.97 增强到晶体Dq/B = 2.23也佐证了析晶过程中发光峰位的蓝移（图2b-c）。由于玻璃相填充了晶体间的空隙形成致密结构极大抑制了界面漫反射，Abs得到非常明显提升并最终得到外量子效率EQE高达49.2%的近红外发射块体（图2d）。

　　共掺Yb3+后的NSGO:Cr/Yb并没有产生非常明显的第二相，表明Yb3+成功引入NSGO晶体结构中（图3a）。相比于固相法合成的粉体，GC拥有更强的Yb3+发射，并且该增强的发射并不来自于玻璃而来自于晶体中Cr3+→Yb3+的能量传递（图3b-c）。对发光衰减曲线进行双指数拟合并计算得到发光寿命，从而计算出GC的能量传递效率36.4%远大于粉体的12.7%（图3d）。通过对吸收光谱表征分析能够获得GC相比于粉体拥有相对更强的Yb3+:2F7/2→2F5/2跃迁吸收（图3e）。得益于改善的能量传递效率，GC拥有更强的NIR-II区发射以及明显提高的耐热性（@150 ℃从30.1%提升到65.0%）(图3f)。

　　采用蓝光芯片和制备的NSGO:Cr玻璃陶瓷无封装胶封装成NIR LED，拥有更好的散热和光提取率（图 4a-b）。以NIR LED作为近红外光源并使用NIR 相机进行图像记录能清楚地看到人手掌中的血管和骨骼，即所制备的玻璃陶瓷能应用于生物成像领域（图 4c-d）。而且在大电流驱动下，NIR LED可以照亮整个房间，在安防监控夜间隐蔽式补光也有着应用前景（图 4e）。

　　Laser & Photonics Reviews是一份双月刊同行评审科学期刊，涵盖光学科学每个方面的研究，由Wiley-VCH出版，包含综述、论文、快讯文章等内容，2021年影响因子13.138。