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創新點：浙江大學邱建榮教授團隊通過一種簡易的玻璃晶化技術開發了一類外量子效率高、熱穩定性好的寬帶近紅外熒光陶瓷。這類熒光陶瓷作為全無機轉換體，可以從根本上解決傳統“熒光粉+有機硅脂”不能兼顧吸收效率高、內量子效率高和熱猝滅低的問題，從而實現熒光轉換型寬帶近紅外LED的高效率、高功率密度輸出。

關鍵詞：Advanced Science，近紅外，陶瓷，微型光源，浙江大學

近紅外（NIR）光源在生物成像、光生物調節、全光譜照明、太陽模擬器以及光譜分析技術等諸多領域具有不可替代的作用。近年來，隨著手機、智能手表等移動電子設備的多功能化和大規模普及，人們期待將傳統的近紅外光譜儀微型化，以便集成于這些便攜式/可穿戴終端裝備中，從而實現對食品、藥物、衣物等的即時檢測和對人體健康的實時監控。然而，傳統的鹵鎢燈和超連續激光具有體積大和效率低的缺點，而NIR發光二極管（LED）的發射帶窄且價格高，均不能滿足應用要求。因此，開發價格低、效率高、體積小的寬帶近紅外光源是實現上述應用場景的關鍵之一。

“藍光LED+熒光粉”的熒光轉換型LED（pc-LED）是一種極具應用潛力的微型寬帶光源，其發射的近紅外光全部源于熒光粉，可以通過混合一種或多種NIR熒光粉實現超寬帶NIR發射。相比于白光pc-LED，NIR pc-LED中“藍光→近紅外光”轉換的量子缺損（Stokes能量損耗）更大，因此對NIR熒光粉的性能要求更高。但是，因為激發態電子的非輻射躍遷幾率隨著基態與激發態之間的能量間距變小而增加，NIR發射在本質上更難實現高效率和高熱穩定性。與其他NIR發光離子相比，三價鉻離子（Cr³⁺）在內量子效率（IQE）和光譜可調性等方面均已表現出明顯優勢。但是，由于相關能級躍遷是偶極禁戒的，Cr³⁺激活的熒光粉對藍光的吸收弱，外量子效率（EQE）低，而提高摻雜濃度會導致IQE下降和熱猝滅加重。此外，熒光粉需要有機硅脂、環氧樹脂等進行LED器件封裝，而這類透明有機材料的熱導率極低且物理化學穩定性差。

浙江大學邱建榮教授和肖文戈博士等人針對上述問題，通過一種簡單的玻璃晶化技術開發了一類外量子效率高、熱穩定性好的寬帶近紅外熒光陶瓷，并將其直接作為全無機轉換體，獲得了一種高性能的NIR pc-LED。相關結果發表在Advanced Science上，論文第一作者為博士研究生鄭國君。

熒光陶瓷是一種高度致密化的塊體發光材料。它不但具有高的熱導率和極好的物理化學穩定性，而且可以提高激活離子對激發光的吸收率，這是因為入射光在熒光陶瓷內部受到的散射較弱，其有效傳播距離更長。熒光陶瓷一般采用粉末燒結法制備，這種方法主要借助高溫、高壓、高真空等極端條件來實現塊體材料的致密化，成本高、工藝復雜。該研究團隊在前期工作中，通過玻璃組分設計和晶化過程控制，獲得了一種100%內量子效率和零熱猝滅的窄帶深紅光陶瓷（Laser Photonics Rev., 15, 2100060）。另外也開拓了基于3D打印的兼具高發光效率和熱穩定性的熒光體與石英玻璃復合熒光轉換材料制備新技術（Nature Commun., 11, 2805 (2020) ）。近日，該研究團隊以釔鋁石榴石（Y₃Al₅O₁₂）為基礎，通過陽離子組分設計不但提高了原始組分的玻璃形成能力，而且將Y₃Al₅O₁₂:Cr³⁺的窄帶深紅光發射調控為Y₂CaAl₄SiO₁₂:Cr³⁺的寬帶近紅外發射 （峰值波長760 nm，半高寬160 nm）。所獲得的熒光陶瓷的IQE/EQE高達90.1%/59.5%，在150℃時其發光強度仍維持室溫的90.6%且光譜形狀幾乎不隨溫度變化。此外，他們展示了一種高效的全無機寬帶NIR pc-LED原型器件（NIR光電轉換效率為21.2%@100 mA），并演示了其在夜視和近紅外光譜等領域的應用。由于這種熒光陶瓷可以承受高功率密度激發，因此可以與藍色激光相結合，進一步拓展其應用領域。該研究團隊還表示，他們正在采用玻璃晶化技術開發更高效率的超寬帶NIR（半高寬>250nm）熒光陶瓷。