Ca2TbHf2Al3O12∶Ce3+,Cr3+石榴石荧光材料的宽带近红外发射与能量传递

颜雨; 尚蒙蒙

doi:10.37188/CJL.20230046

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Ca₂TbHf₂Al₃O₁₂∶Ce³⁺,Cr³⁺石榴石荧光材料的宽带近红外发射与能量传递

材料合成及性能 | 更新时间：2023-09-06

- Ca₂TbHf₂Al₃O₁₂∶Ce³⁺,Cr³⁺石榴石荧光材料的宽带近红外发射与能量传递
  增强出版
- Broadband Near Infrared Emission and Energy Transfer of Ca₂TbHf₂Al₃O₁₂∶Ce³⁺,Cr³⁺ Garnet Phosphor
- 发光学报 2023年44卷第8期页码：1369-1379
- 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：
  
  [ "颜雨(1997-)，女，山东临沂人，硕士研究生，2020年于济南大学获得学士学位，主要从事Cr3+激活的近红外发光材料的研究。E-mail: 202034224@mail.sdu.edu.cn" ]
  [ "尚蒙蒙（1987-），女，山东济南人，博士，教授，博士生导师，2013年于中国科学院长春应用化学研究所获得博士学位，主要从事照明显示用稀土无机发光材料的控制合成与性能研究。E-mail: mmshang@sdu.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金(51672265);山东省自然科学基金(ZR2018JL016;ZR2021ZD10);山东大学齐鲁青年学者资助项目
- DOI：10.37188/CJL.20230046
  中图分类号： O482.31
- 纸质出版日期：2023-08-05，
  
  收稿日期：2023-02-27，
  
  修回日期：2023-03-16，
扫描看全文
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

能量传递Cr3+荧光转换型发光二极管（pc-LED）宽带近红外发射

Keywords

energy transferCr3+phosphor-converted light-emitting diode（pc-LED）broadband near infrared emission

references

ZHANG L L， WANG D D， HAO Z D， et al. Cr3+-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.201900185http://dx.doi.org/10.1002/adom.201900185

SONG E H， MING H， ZHOU Y Y， et al. Cr3+-doped Sc‐based fluoride enabling highly efficient near infrared luminescence： a case study of K2NaScF6∶Cr3+ ［J］. Laser. Photonics Rev.， 2021， 15（2）： 2000410-1-8. doi: 10.1002/lpor.202000410http://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/s41563-019-0416-2http://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.2013.03.006http://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/foods11101465http://dx.doi.org/10.3390/foods11101465

WANG Y， WANG Z J， WEI G H， et al. Ultra-broadband and high efficiency near-infrared Gd3ZnxGa5-2xGexO12∶Cr3+ （x = 0-2.0） garnet phosphors via crystal field engineering ［J］. Chem. Eng. J.， 2022， 437： 135346. doi: 10.1016/j.cej.2022.135346http://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.202101633http://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 Cr3+-substituted metal phosphate phosphors ［J］. Chem. Mater.， 2021， 34（1）： 337-344. doi: 10.1021/acs.chemmater.1c03671http://dx.doi.org/10.1021/acs.chemmater.1c03671

BAI B， DANG P P， ZHU Z L， et al. Broadband near-infrared emission of La3Ga5GeO14∶Tb3+， Cr3+ 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/D0TC02498Hhttp://dx.doi.org/10.1039/D0TC02498H

段佩华，张继森，张立国，等. YAG粉末材料中Cr3+敏化的Yb3+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 Yb3+ ions sensitized by Cr3+ 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 Ca5（PO4）2SiO4∶Sm3+ 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/d2dt01034hhttp://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.202201887http://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.2018.11.014http://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 Mn2+/Yb3+-doped phosphate phosphor ［J］. J. Am. Ceram. Soc.， 2021， 104（8）： 4109-4118. doi: 10.1111/jace.17803http://dx.doi.org/10.1111/jace.17803

LIANG S S， SHANG M M， LIAN H Z， et al. Deep red MGe4O9∶Mn4+（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/c6tc01813khttp://dx.doi.org/10.1039/c6tc01813k

YUAN L F， JIN Y H， WU H Y， et al. Ni2+-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.1c20084http://dx.doi.org/10.1021/acsami.1c20084

FANG L M， HAO Z D， ZHANG L L， et al. Cr3+-doped broadband near infrared diopside phosphor for NIR pc-LED ［J］. Mater. Res. Bull.， 2022， 149： 11725-1-7. doi: 10.1016/j.materresbull.2021.111725http://dx.doi.org/10.1016/j.materresbull.2021.111725

YAN Y， SHANG M M， HUANG S， et al. Photoluminescence properties of AScSi2O6∶Cr3+ （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.1c23940http://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/s41377-020-00394-5http://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.2022.137892http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2022.137892

NIE W D， YAO L Q， CHEN G， et al. A novel Cr3+-doped Lu2CaMg2Si3O12 garnet phosphor with broadband emission for near-infrared applications ［J］. Dalton Trans.， 2021， 50（24）： 8446-8456. doi: 10.1039/d1dt01195bhttp://dx.doi.org/10.1039/d1dt01195b

MAO N， LIU S Q， SONG Z， et al. A broadband near-infrared phosphor Ca3Y2Ge3O12∶Cr3+ with garnet structure ［J］. J. Alloys Compd.， 2021， 863： 158699-1-7. doi: 10.1016/j.jallcom.2021.158699http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.158699

JIANG H J， CHEN L Y， ZHENG G J， et al. Ultra-efficient GAGG∶Cr3+ 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.202102741http://dx.doi.org/10.1002/adom.202102741

JIA Z W， YUAN C X， LIU Y F， et al. Strategies to approach high performance in Cr3+-doped phosphors for high-power NIR-LED light sources ［J］. Light Sci. Appl.， 2020， 9： 86-1-9. doi: 10.1038/s41377-020-0326-8http://dx.doi.org/10.1038/s41377-020-0326-8

XIAO H， ZHANG J N， ZHANG L L， et al. Cr3+ 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.202101134http://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 Cr3+， Ce3+ co-doped Ca2LuHf2Al3O12 phosphors ［J］. J. Rare Earth.， 2021， 39（3）： 269-276. doi: 10.1016/j.jre.2020.05.008http://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 Cr3+-doped Ca2YHf2Al3O12 garnet phosphors via Ce3+/Yb3+-codoping for LED applications ［J］. J. Mater. Chem. C， 2021， 9（14）： 4815-4824. doi: 10.1039/d0tc05657jhttp://dx.doi.org/10.1039/d0tc05657j

XIAO W G， LIU X F， ZHANG J H， et al. Realizing visible light excitation of Tb3+ via highly efficient energy transfer from Ce3+ for LED-based applications ［J］. Adv. Opt. Mater.， 2019， 7（9）： 1801677-1-6. doi: 10.1002/adom.201801677http://dx.doi.org/10.1002/adom.201801677

WANG X C， ZHAO Z Y， WU Q S， et al. Synthesis， structure and photoluminescence properties of Ca2LuHf2（AlO4）3∶Ce3+， a novel garnet-based cyan light-emitting phosphor ［J］. J. Mater. Chem. C， 2016， 4（48）： 11396-11403. doi: 10.1039/c6tc03933bhttp://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 Cr3+-activated stannate for multifunctional applications ［J］. Adv. Opt. Mater.， 2023， 11（7）： 2202466. doi: 10.1002/adom.202202466http://dx.doi.org/10.1002/adom.202202466

WANG Y C， DING J Y， WANG Y H. Ca2-xY1+xZr2-xAl3+xO12∶Ce3+： 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.7b09783http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b09783

何献国，黄得财，宋丽平，等. NaAlP2O7∶Cr3+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 NaAlP2O7∶Cr3+ 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 LiGaGe2O6∶Cr3+ with EQE enhancement and spectral tuning by Sc3+-Ga3+ substitution for NIR pc-LED application ［J］. Inorg. Chem. Front.， 2023， 10（2）： 511-521. doi: 10.1039/d2qi02054hhttp://dx.doi.org/10.1039/d2qi02054h

YAO L Q， SHAO Q Y， SHI M L， et al. Efficient ultra-broadband Ga4GeO8∶Cr3+ 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.202102229http://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.1c01078http://dx.doi.org/10.1021/acsaelm.1c01078

张亮亮，张家骅，郝振东，等. Cr3+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/fgxb20194012.1449http://dx.doi.org/10.3788/fgxb20194012.1449

ZHANG L L， ZHANG J H， HAO Z D， et al. Recent progress on Cr3+ doped broad band NIR phosphors ［J］. Chin. J. Lumin.， 2019， 40（12）： 1449-1459. （in Chinese）. doi: 10.3788/fgxb20194012.1449http://dx.doi.org/10.3788/fgxb20194012.1449

浏览量

179

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

YAG中Cr³⁺和Yb³⁺的发光特征以及Cr³⁺和Yb³⁺之间的能量传递过程

Eu²⁺ , Cr³⁺共掺杂SrAl₁₂O₁₉发光体的发光性质及能量传递

基于BaMgSiO₄氧空位缺陷发光的可视化荧光温度传感材料

高热稳定性近红外荧光粉BaY₂Al₂Ga₂SiO₁₂∶Cr³⁺的合成及发光性质