Broadband Near Infrared Emission and Energy Transfer of Ca2TbHf2Al3O12∶Ce3+,Cr3+ Garnet Phosphor

YAN Yu; SHANG Mengmeng

doi:10.37188/CJL.20230046

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Broadband Near Infrared Emission and Energy Transfer of Ca₂TbHf₂Al₃O₁₂∶Ce³⁺,Cr³⁺ Garnet Phosphor

Synthesis and Properties of Materials | 更新时间：2023-09-06

- 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： O482.31
- Received：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

TbHf

∶Ce

，

（CTHAO∶Ce

，

）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

，

为纯相石榴石结构。在该样品中，Tb

作为基质组成，与掺杂离子Ce

共同作为Cr

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

→Tb

、Ce

→Cr

、Tb

→Cr

的能量传递过程；重点分析了Tb

向Cr

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

，0.02Cr

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

的发光，对于设计和开发Cr

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

TbHf

∶Ce

，

（CTHAO∶Ce

，

） phosphors were prepared by high temperature solid state method. CTHAO∶Ce

，

were confirmed to be pure phase with garnet structure by powder XRD and Rietveld refinement technology. Tb

， as matrix component， can sensitize Cr

ions. Co-doping Ce

leads to multiple energy transfer processes， and the energy transfer fact of Ce

→Tb

， Ce

→Cr

， Tb

→Cr

was confirmed by the spectra and fluorescence lifetime characterization. The energy transfer mechanism from Tb

to Cr

is dominated by dipole-quadrupole interaction， and the energy transfer efficiency can reach 79.5%. The NIR intensity of CTHAO∶Ce

，0.02Cr

can maintain 36% compared with its initial intensity and the calculated activation energy is 0.30 eV. Combining CTHAO∶Ce

，0.02Cr

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

luminescence through multiple energy transfer processes has certain guiding significance for the design and development of Cr

excited efficient near infrared luminescence materials.

关键词

Keywords

references

ZHANG L L ， WANG D D ， HAO Z D ， et al . Cr 3+ -doped broadband NIR garnet phosphor with enhanced luminescence and its application in NIR spectroscopy ［J］. Adv. Opt. Mater. ， 2019 ， 7 ： 1900185-1 - 8 . doi: 10.1002/adom.201900185 http://dx.doi.org/10.1002/adom.201900185

SONG E H ， MING H ， ZHOU Y Y ， et al . Cr 3+ -doped Sc‐based fluoride enabling highly efficient near infrared luminescence： a case study of K 2 NaScF 6 ∶Cr 3+ ［J］. Laser. Photonics Rev. ， 2021 ， 15 （ 2 ）： 2000410-1-8 . doi: 10.1002/lpor.202000410 http://dx.doi.org/10.1002/lpor.202000410

YAKUNIN S ， BENIN B M ， SHYNKARENKO Y ， et al . High-resolution remote thermometry and thermography using luminescent low-dimensional tin-halide perovskites ［J］. Nat. Mater. ， 2019 ， 18 （ 8 ）： 846 - 852 . doi: 10.1038/s41563-019-0416-2 http://dx.doi.org/10.1038/s41563-019-0416-2

BAGAVATHIAPPAN S ， LAHIRI B B ， SARAVANAN T ， et al . Infrared thermography for condition monitoring：a review ［J］. Infrared Phys. Technol. ， 2013 ， 60 ： 35 - 55 . doi: 10.1016/j.infrared.2013.03.006 http://dx.doi.org/10.1016/j.infrared.2013.03.006

BEĆ K B ， GRABSKA J ， HUCK C W . Miniaturized NIR spectroscopy in food analysis and quality control： promises， challenges， and perspectives ［J］. Foods ， 2022 ， 11 （ 10 ）： 1465-1-53 . doi: 10.3390/foods11101465 http://dx.doi.org/10.3390/foods11101465

WANG Y ， WANG Z J ， WEI G H ， et al . Ultra-broadband and high efficiency near-infrared Gd 3 Zn x Ga 5-2 x Ge x O 12 ∶Cr 3+ （ x = 0-2.0） garnet phosphors via crystal field engineering ［J］. Chem. Eng. J. ， 2022 ， 437 ： 135346 . doi: 10.1016/j.cej.2022.135346 http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2022.135346

LANG T C ， CAI M S ， FANG S Q ， et al . Trade-off lattice site occupancy engineering strategy for near-infrared phosphors with ultrabroad and tunable emission ［J］. Adv. Opt. Mater. ， 2022 ， 10 （ 2 ）： 2101633-1-12 . doi: 10.1002/adom.202101633 http://dx.doi.org/10.1002/adom.202101633

ZHONG J Y ， LI C J ， ZHAO W R ， et al . Accessing high-power near-infrared spectroscopy using Cr 3+ -substituted metal phosphate phosphors ［J］. Chem. Mater. ， 2021 ， 34 （ 1 ）： 337 - 344 . doi: 10.1021/acs.chemmater.1c03671 http://dx.doi.org/10.1021/acs.chemmater.1c03671

BAI B ， DANG P P ， ZHU Z L ， et al . Broadband near-infrared emission of La 3 Ga 5 GeO 14 ∶Tb 3+ ， Cr 3+ phosphors： energy transfer， persistent luminescence and application in NIR light-emitting diodes ［J］. J. Mater. Chem. C ， 2020 ， 8 （ 34 ）： 11760 - 11770 . doi: 10.1039/D0TC02498H http://dx.doi.org/10.1039/D0TC02498H

段佩华，张继森，张立国，等 . YAG粉末材料中Cr 3+ 敏化的Yb 3+ 近红外发光性质［J］. 中国光学， 2015 ， 8 （ 4 ）： 603 - 607 .

DUAN P H ， ZHANG J S ， ZHANG L G ， et al . Near-infrared emission properties of Yb 3+ ions sensitized by Cr 3+ ions in YAG powder materials ［J］. Chin. Opt. ， 2015 ， 8 （ 4 ）： 603 - 607 . （in Chinese）

XIONG H R ， GAO X ， YUAN F ， et al . Photoluminescence enhancement of orange-emitting Ca 5 （PO 4 ） 2 SiO 4 ∶Sm 3+ phosphor through charge compensation of A + （Li + ， Na + and K + ） ions for white light-emitting diodes ［J］. Dalton Trans. ， 2022 ， 51 （ 22 ）： 8874 - 8884 . doi: 10.1039/d2dt01034h http://dx.doi.org/10.1039/d2dt01034h

QIAO J W ， ZHANG S ， ZHOU X Q ， et al . Near-infrared light-emitting diodes utilizing a europium-activated calcium oxide phosphor with external quantum efficiency of up to 54.7% ［J］. Adv. Mater. ， 2022 ， 34 （ 26 ）： 2201887-1-7 . doi: 10.1002/adma.202201887 http://dx.doi.org/10.1002/adma.202201887

XU J T ， GULZAR A ， YANG P P ， et al . Recent advances in near-infrared emitting lanthanide-doped nanoconstructs： mechanism， design and application for bioimaging ［J］. Coordin. Chem. Rev. ， 2019 ， 381 ： 104 - 134 . doi: 10.1016/j.ccr.2018.11.014 http://dx.doi.org/10.1016/j.ccr.2018.11.014

DONG L P ， ZHANG L ， XU Y H ， et al . Efficient red and broadband near‐infrared luminescence in Mn 2+ /Yb 3+ -doped phosphate phosphor ［J］. J. Am. Ceram. Soc. ， 2021 ， 104 （ 8 ）： 4109 - 4118 . doi: 10.1111/jace.17803 http://dx.doi.org/10.1111/jace.17803

LIANG S S ， SHANG M M ， LIAN H Z ， et al . Deep red M Ge 4 O 9 ∶Mn 4+ （ M = Sr， Ba） phosphors： structure， luminescence properties and application in warm white light emitting diodes ［J］. J. Mater. Chem. C ， 2016 ， 4 （ 26 ）： 6409 - 6416 . doi: 10.1039/c6tc01813k http://dx.doi.org/10.1039/c6tc01813k

YUAN L F ， JIN Y H ， WU H Y ， et al . Ni 2+ -doped garnet solid-solution phosphor-converted broadband shortwave infrared light-emitting diodes toward spectroscopy application ［J］. ACS Appl. Mater. Interfaces ， 2022 ， 14 （ 3 ）： 4265 - 4275 . doi: 10.1021/acsami.1c20084 http://dx.doi.org/10.1021/acsami.1c20084

FANG L M ， HAO Z D ， ZHANG L L ， et al . Cr 3+ -doped broadband near infrared diopside phosphor for NIR pc-LED ［J］. Mater. Res. Bull. ， 2022 ， 149 ： 11725-1 - 7 . doi: 10.1016/j.materresbull.2021.111725 http://dx.doi.org/10.1016/j.materresbull.2021.111725

YAN Y ， SHANG M M ， HUANG S ， et al . Photoluminescence properties of A ScSi 2 O 6 ∶Cr 3+ （ A = Na and Li） phosphors with high efficiency and thermal stability for near-infrared phosphor-converted light-emitting diode light sources ［J］. ACS Appl. Mater. Interfaces ， 2022 ， 14 （ 6 ）： 8179 - 8190 . doi: 10.1021/acsami.1c23940 http://dx.doi.org/10.1021/acsami.1c23940

XIE R J . Light-emitting diodes： brighter NIR-emitting phosphor making light sources smarter ［J］. Light Sci. Appl. ， 2020 ， 9 ： 155-1 - 2 . doi: 10.1038/s41377-020-00394-5 http://dx.doi.org/10.1038/s41377-020-00394-5

FENG J J ， LIU H M ， MA Z ， et al . A super stable near-infrared garnet phosphor resistant to thermal quenching， thermal degradation and hydrolysis ［J］. Chem. Eng. J. ， 2022 ， 449 ： 137892 . doi: 10.1016/j.cej.2022.137892 http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2022.137892

NIE W D ， YAO L Q ， CHEN G ， et al . A novel Cr 3+ -doped Lu 2 CaMg 2 Si 3 O 12 garnet phosphor with broadband emission for near-infrared applications ［J］. Dalton Trans. ， 2021 ， 50 （ 24 ）： 8446 - 8456 . doi: 10.1039/d1dt01195b http://dx.doi.org/10.1039/d1dt01195b

MAO N ， LIU S Q ， SONG Z ， et al . A broadband near-infrared phosphor Ca 3 Y 2 Ge 3 O 12 ∶Cr 3+ with garnet structure ［J］. J. Alloys Compd. ， 2021 ， 863 ： 158699-1 - 7 . doi: 10.1016/j.jallcom.2021.158699 http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.158699

JIANG H J ， CHEN L Y ， ZHENG G J ， et al . Ultra-efficient GAGG∶Cr 3+ ceramic phosphor‐converted laser diode： a promising high‐power compact near‐infrared light source enabling clear imaging ［J］. Adv. Opt. Mater. ， 2022 ， 10 （ 11 ）： 2102741-1-8 . doi: 10.1002/adom.202102741 http://dx.doi.org/10.1002/adom.202102741

JIA Z W ， YUAN C X ， LIU Y F ， et al . Strategies to approach high performance in Cr 3+ -doped phosphors for high-power NIR-LED light sources ［J］. Light Sci. Appl. ， 2020 ， 9 ： 86-1 - 9 . doi: 10.1038/s41377-020-0326-8 http://dx.doi.org/10.1038/s41377-020-0326-8

XIAO H ， ZHANG J N ， ZHANG L L ， et al . Cr 3+ activated garnet phosphor with efficient blue to far‐red conversion for pc-LED ［J］. Adv. Opt. Mater. ， 2021 ， 9 （ 20 ）： 2101134-1-7 . doi: 10.1002/adom.202101134 http://dx.doi.org/10.1002/adom.202101134

WU J P ， ZHUANG W D ， LIU R H ， et al . Broadband near-infrared luminescence and energy transfer of Cr 3+ ， Ce 3+ co-doped Ca 2 LuHf 2 Al 3 O 12 phosphors ［J］. J. Rare Earth. ， 2021 ， 39 （ 3 ）： 269 - 276 . doi: 10.1016/j.jre.2020.05.008 http://dx.doi.org/10.1016/j.jre.2020.05.008

ZHANG Q Q ， LI G G ， DANG P P ， et al . Enhancing and tuning broadband near-infrared （NIR） photoluminescence properties in Cr 3+ -doped Ca 2 YHf 2 Al 3 O 12 garnet phosphors via Ce 3+ /Yb 3+ -codoping for LED applications ［J］. J. Mater. Chem. C ， 2021 ， 9 （ 14 ）： 4815 - 4824 . doi: 10.1039/d0tc05657j http://dx.doi.org/10.1039/d0tc05657j

XIAO W G ， LIU X F ， ZHANG J H ， et al . Realizing visible light excitation of Tb 3+ via highly efficient energy transfer from Ce 3+ for LED-based applications ［J］. Adv. Opt. Mater. ， 2019 ， 7 （ 9 ）： 1801677-1-6 . doi: 10.1002/adom.201801677 http://dx.doi.org/10.1002/adom.201801677

WANG X C ， ZHAO Z Y ， WU Q S ， et al . Synthesis， structure and photoluminescence properties of Ca 2 LuHf 2 （AlO 4 ） 3 ∶Ce 3+ ， a novel garnet-based cyan light-emitting phosphor ［J］. J. Mater. Chem. C ， 2016 ， 4 （ 48 ）： 11396 - 11403 . doi: 10.1039/c6tc03933b http://dx.doi.org/10.1039/c6tc03933b

ZHOU Z H ， HE F Q ， SONG E H ， et al . Broadband and multimode near-infrared emitter based on Cr 3+ -activated stannate for multifunctional applications ［J］. Adv. Opt. Mater. ， 2023 ， 11 （ 7 ）： 2202466 . doi: 10.1002/adom.202202466 http://dx.doi.org/10.1002/adom.202202466

WANG Y C ， DING J Y ， WANG Y H . Ca 2- x Y 1+ x Zr 2- x Al 3+ x O 12 ∶Ce 3+ ： solid solution design toward the green emission garnet structure phosphor for near-UV LEDs and their luminescence properties ［J］. J. Phys. Chem. C ， 2017 ， 121 （ 48 ）： 27018 - 27028 . doi: 10.1021/acs.jpcc.7b09783 http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b09783

何献国，黄得财，宋丽平，等 . NaAlP 2 O 7 ∶Cr 3+ 荧光粉近红外发光特性［J］. 发光学报， 2022 ， 43 （ 9 ）： 1380 - 1389 .

HE X G ， HUANG D C ， SONG L P ， et al . Near-infrared photoluminescence properties of NaAlP 2 O 7 ∶Cr 3+ phosphor ［J］. Chin. J. Lumin. ， 2022 ， 43 （ 9 ）： 1380 - 1389 . （in Chinese）

FAN J Q ， ZHOU W Y ， ZHANG J L ， et al . A novel efficient broadband near-infrared phosphor LiGaGe 2 O 6 ∶Cr 3+ with EQE enhancement and spectral tuning by Sc 3+ -Ga 3+ substitution for NIR pc-LED application ［J］. Inorg. Chem. Front. ， 2023 ， 10 （ 2 ）： 511 - 521 . doi: 10.1039/d2qi02054h http://dx.doi.org/10.1039/d2qi02054h

YAO L Q ， SHAO Q Y ， SHI M L ， et al . Efficient ultra-broadband Ga 4 GeO 8 ∶Cr 3+ phosphors with tunable peak wavelengths from 835 to 980 nm for NIR pc-LED application ［J］. Adv. Opt. Mater. ， 2021 ， 10 （ 4 ）： 2102229-1-10 . doi: 10.1002/adom.202102229 http://dx.doi.org/10.1002/adom.202102229

WANG X J ， WANG Z J ， CUI J ， et al . Multifunctional near-infrared （NIR） phosphors with NIR Ⅰ and NIR Ⅱ luminescence for biological detection ［J］. ACS Appl. Electron. Mater. ， 2021 ， 4 （ 1 ）： 432 - 442 . doi: 10.1021/acsaelm.1c01078 http://dx.doi.org/10.1021/acsaelm.1c01078

张亮亮，张家骅，郝振东，等 . Cr 3+ 掺杂的宽带近红外荧光粉及其研究进展［J］. 发光学报， 2019 ， 40 （ 12 ）： 1449 - 1459 . doi: 10.3788/fgxb20194012.1449 http://dx.doi.org/10.3788/fgxb20194012.1449

ZHANG L L ， ZHANG J H ， HAO Z D ， et al . Recent progress on Cr 3+ doped broad band NIR phosphors ［J］. Chin. J. Lumin. ， 2019 ， 40 （ 12 ）： 1449 - 1459 . （in Chinese） . doi: 10.3788/fgxb20194012.1449 http://dx.doi.org/10.3788/fgxb20194012.1449

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