广东工业大学ACS-AMI：同时具备宽的发射带和出色的发光热稳定性的氟化物近红外发光材料ScF3: Cr3+

引言

近红外光谱技术由于具有方便、快速、无损等优点，在医药、生物成像、食品监测、夜视等领域得到了广泛的应用。近年来，研究人员提出了将近红外光谱技术集成到手机和其他便携式电子设备的想法，以实现方便和快速的应用。在所有的技术解决方案中，荧光粉转换型发光二极管(pc-LEDs)的应用前景最好。这一解决方案是将宽带近红外荧光粉涂覆在当前最高效已商业化的蓝色LED芯片上，用蓝光激发荧光粉实现宽带近红外发射。当前的迫切需求是同时具备宽的发射带和优异发光热稳定性的近红外荧发光材料。近年来，Cr³⁺掺杂的宽带近红外荧光粉被广泛报道。然而，LED芯片工作温度（150℃）下，这些荧光粉的发射强度与室温(RT)相比通常降低20%以上，这种温度不稳定将导致在食品检测、生物成像等应用中的不准确性。因此，开发一种既具有宽发射带又具有优异发光热稳定性的近红外荧光粉具有重要的实用价值。

成果简介

近日，广东工业大学硕士研究生林秋明（第一作者）、牟中飞正高级实验师（通讯作者）、吴福根教授（通讯作者）报道了一种Cr³⁺掺杂的氟化物荧光粉ScF₃: Cr³⁺。在蓝光激发下，ScF₃: Cr³⁺荧光粉发射波长从700至1100 nm的近红外光，半高宽达到140 nm。此外，该荧光粉表现出色的发光热稳定性（ScF₃: Cr³⁺在150℃的发射强度保持在室温的85.5％）。进一步，我们将ScF₃: Cr³⁺涂覆在蓝色LED芯片上封装了NIR pc-LED。测试结果表明，40 mA的驱动电流下，光电转换效率为3.19%。该LED在夜视中具有良好的应用潜力。

图文导读

图1 XRD与晶体结构

(a) 不同浓度的XRD：ScF₃:xCr³⁺(x = 0, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.06, 0.07)

(b) Cr³⁺浓度为0.05时，在不同合成条件NH₄F/Sc³⁺(y = 3, 4, 5, 6, 7, 8, 以下缩写为SFy)下的XRD

(c) ScF₃的晶体结构

(d) SF6的XRD结构精修图

图2 形貌演化与形成机理

(a) SF3

(b) SF4

(c) SF5

(d) SF6

(e) ScF3形貌变化演示图

图3 SF6的发光性能

(a)SF6的PL和PLE光谱

(b)Tanabe−Sugano能级图

(c)不掺杂与掺杂后的漫反射光谱

(d)SF6的EPR光谱

图4 不同浓度与不同NH₄F/Sc³⁺的发光性能

(a)不同浓度的发光强度

(b)不同NH₄F/Sc³⁺的发光强度

(c)不同NH₄F/Sc³⁺的发光强度的柱状图

图5 SF6热稳定相关表征

(a)298K至473 K的发射光谱

(b)298K至473 K归一化的发射光谱

(c)积分强度与峰值强度在298K至473 K的变化

(d)半峰宽与温度拟合的曲线，计算得黄昆因子S= 01

(e)SF6的温度循环稳定性

(f)弱晶体场中Cr³⁺离子的位形坐标图

图6 SF6封装的pc-LED的性能

(a)不同驱动电流下的发射光谱

(b)不同驱动电流下的光电输出功率和光电转换效率

图7 在夜视领域的应用

小结

综上所述，该团队研究了ScF₃：Cr³⁺的发光性能，采用简单、绿色的水热法成功合成了宽带ScF₃: Cr³⁺荧光粉。通过控制NH₄F/Sc³⁺前驱体的浓度，发现SF6样品具有最佳的发光性能。在700~1100 nm范围内表现出宽带发射，半高宽为140 nm，峰值波长为853 nm。与RT相比，ScF₃: Cr³⁺荧光粉在150°C下的发射强度可以保持85.5%，这是由于其较弱的EPC强度 (S = 3.01)， 较小的Stokes位移(2263 cm⁻¹)。在460 nm蓝光LED芯片上制备了一种近红外pc-LED器件。该LED器件在40 mA的驱动电流下的近红外光电转换效率为3.19%。采用近红外图像采集技术对水果进行夜视成像。本工作不仅为近红外pc-LEDs的应用提供了一种有前景的发光材料，而且对研究不同合成条件对Cr³⁺掺杂氟化物发光性能的影响具有重要的指导意义。

文献链接：Trivalent Chromium Ions Doped Fluorides with Both Broad Emission Bandwidth and Excellent Luminescence Thermal Stability (ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 15, 18274–18282, https://doi.org/10.1021/acsami.1c01417)。

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