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Broadband Near Infrared Emission and Energy Transfer of Ca2TbHf2Al3O12∶Ce3+,Cr3+ Garnet Phosphor
增强出版- Chinese Journal of Luminescence Vol. 44, Issue 8, Pages: 1369-1379(2023)
- 作者机构：
山东大学 材料科学与工程学院， 材料液固结构演变与加工教育部重点实验室， 山东 济南 250061
- 作者简介：
- 基金信息：National Natural Science Foundation of China(51672265);National Natural Science Foundation of China(ZR2018JL016;ZR2021ZD10);Natural Science Foundation of Shandong Province
DOI：10.37188/CJL.20230046
CLC： O482.31Received：27 February 2023，
Revised：16 March 2023，
Published：05 August 2023
- 稿件说明：
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颜雨,尚蒙蒙.Ca2TbHf2Al3O12∶Ce3+,Cr3+石榴石荧光材料的宽带近红外发射与能量传递[J].发光学报,2023,44(08):1369-1379.
YAN Yu,SHANG Mengmeng.Broadband Near Infrared Emission and Energy Transfer of Ca2TbHf2Al3O12∶Ce3+,Cr3+ Garnet Phosphor[J].Chinese Journal of Luminescence,2023,44(08):1369-1379.
颜雨,尚蒙蒙.Ca2TbHf2Al3O12∶Ce3+,Cr3+石榴石荧光材料的宽带近红外发射与能量传递[J].发光学报,2023,44(08):1369-1379. DOI： 10.37188/CJL.20230046.
YAN Yu,SHANG Mengmeng.Broadband Near Infrared Emission and Energy Transfer of Ca2TbHf2Al3O12∶Ce3+,Cr3+ Garnet Phosphor[J].Chinese Journal of Luminescence,2023,44(08):1369-1379. DOI： 10.37188/CJL.20230046.
摘要
近红外荧光转换型发光二极管（pc⁃LED）在光谱分析、生物成像、夜视照明等领域有重要应用价值，得到了人们的广泛关注。本文采用高温固相法制备了一系列Ca
2
TbHf
2
Al
3
O
12
∶Ce
3+
，
x
Cr
3+
（CTHAO∶Ce
3+
，
x
Cr
3+
）近红外荧光材料，通过粉末XRD表征结合结构精修技术确定制备的CTHAO∶Ce
3+
，
x
Cr
3+
为纯相石榴石结构。在该样品中，Tb
3+
作为基质组成，与掺杂离子Ce
3+
共同作为Cr
3+
离子的敏化剂，三者之间存在多种能量传递效应，通过光谱及荧光寿命表征证实存在Ce
3+
→Tb
3+
、Ce
3+
→Cr
3+
、Tb
3+
→Cr
3+
的能量传递过程；重点分析了Tb
3+
向Cr
3+
的能量传递机制，以偶极⁃四极交互作用为主导，能量传递效率可达79.5%。CTHAO∶Ce
3+
，0.02Cr
3+
在100 ℃时的近红外发射强度能保持初始强度的36%，计算得到活化能为0.30 eV。将该样品与410 nm芯片相结合制成器件，在驱动电流为200 mA时，近红外最大输出功率可达7.5 mW， 光电转换效率为1.2%。本工作研究了通过多重能量传递提高Cr
3+
的发光，对于设计和开发Cr
3+
激发的高效近红外发光材料有一定的指导意义。
Abstract
Broadband near infrared （NIR） phosphor-converted light-emitting diodes （pc-LEDs） have been widely concerned due to their valuable application in spectral analysis， biological imaging， night vision lighting and other fields. In this work， the novel NIR-emitting Ca
2
TbHf
2
Al
3
O
12
∶Ce
3+
，
x
Cr
3+
（CTHAO∶Ce
3+
，
x
Cr
3+
） phosphors were prepared by high temperature solid state method. CTHAO∶Ce
3+
，
x
Cr
3+
were confirmed to be pure phase with garnet structure by powder XRD and Rietveld refinement technology. Tb
3+
， as matrix component， can sensitize Cr
3+
ions. Co-doping Ce
3+
leads to multiple energy transfer processes， and the energy transfer fact of Ce
3+
→Tb
3+
， Ce
3+
→Cr
3+
， Tb
3+
→Cr
3+
was confirmed by the spectra and fluorescence lifetime characterization. The energy transfer mechanism from Tb
3+
to Cr
3+
is dominated by dipole-quadrupole interaction， and the energy transfer efficiency can reach 79.5%. The NIR intensity of CTHAO∶Ce
3+
，0.02Cr
3+
can maintain 36% compared with its initial intensity and the calculated activation energy is 0.30 eV. Combining CTHAO∶Ce
3+
，0.02Cr
3+
with a 410 nm chip， the NIR output power can reach 7.5 mW and the NIR photoelectric conversion efficiency is 1.2% when the driving current is 200 mA. In this work， the enhancement of Cr
3+
luminescence through multiple energy transfer processes has certain guiding significance for the design and development of Cr
3+
excited efficient near infrared luminescence materials.
关键词
Keywords
references
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