宽带近红外荧光粉KScP2O7:Cr3+的发光特性研究及近红外LED器件应用

马子婷; 张先哲; 戴鹏鹏; 沈丽娜

doi:10.37188/CJL.20230218

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宽带近红外荧光粉KScP₂O₇:Cr³⁺的发光特性研究及近红外LED器件应用

更新时间：2023-10-30

- 宽带近红外荧光粉KScP₂O₇:Cr³⁺的发光特性研究及近红外LED器件应用
  增强出版
- Luminescence Properties of KScP₂O₇:Cr³⁺ Broadband Near-Infrared Phosphor and application of near-infrared LED device
- 发光学报 2023年页码：1-10
- 作者机构：
  
  1.新疆师范大学物理与电子工程学院，新疆发光矿物与光功能材料研究自治区重点实验室，新疆乌鲁木齐　830054
- 作者简介：
  
  [ "马子婷（1999- ），女，新疆伊犁人，硕士研究生，2022年于新疆师范大学获得学士学位，主要从事稀土发光方面的研究。E-mail：2574882592@qq.com." ]
  [ "戴鹏鹏（1982- ），男，重庆秀山人，博士，教授，博士研究生导师，2012年于东北师范大学获得博士学位，主要从事无机光功能材料的结构设计及其在照明、显示、传感器中应用的基础研究。 E-mail：394641236@qq.com." ]
  [ "沈丽娜（1981- ），女，河北沧州人，博士，副教授，硕士研究生导师，2016年于中国科学院大学获得博士学位，主要从事光信息处理、稀土发光方面的研究。 E-mail： 94423609@qq.com" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学地区基金(62264014;52262029);新疆维吾尔自治区科技厅杰出青年项目(2021D01E19);新疆维吾尔自治区青年科技创新拔尖人才项目(2022TSYCXC0016)
- DOI：10.37188/CJL.20230218
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马子婷,张先哲,戴鹏鹏等.宽带近红外荧光粉KScP₂O₇:Cr³⁺的发光特性研究及近红外LED器件应用[J].发光学报,

MA Zi-ting,ZHANG Xian-zhe,DAI Peng-peng,et al.Luminescence Properties of KScP₂O₇:Cr³⁺ Broadband Near-Infrared Phosphor and application of near-infrared LED device[J].Chinese Journal of Luminescence,
马子婷,张先哲,戴鹏鹏等.宽带近红外荧光粉KScP₂O₇:Cr³⁺的发光特性研究及近红外LED器件应用[J].发光学报, DOI：10.37188/CJL.20230218

MA Zi-ting,ZHANG Xian-zhe,DAI Peng-peng,et al.Luminescence Properties of KScP₂O₇:Cr³⁺ Broadband Near-Infrared Phosphor and application of near-infrared LED device[J].Chinese Journal of Luminescence, DOI：10.37188/CJL.20230218

摘要

近红外（NIR）器件的小型化和智能化需求推动了高效宽带近红外荧光粉的设计与发展。目前，Cr,3+,激活的宽带近红外荧光粉主要采用传统的多格位共占据策略设计实现。然而，由于处在不同晶体学格位的Cr,3+,热猝灭行为不一致和光谱稳定性差等问题，导致其实际应用受限。本文基于单格位占据策略，采用高温固相法制备一系列宽带近红外荧光粉KSc,1-x,P,2,O,7,：,x,Cr,3+, （,x, = 0.01-0.09），并对其晶体结构、发光性能及热猝灭机理进行分析。研究结果表明，在,x, = 0.03 时，KSc,0.97,PO,7,：0.03Cr,3+, （KSP：0.03Cr,3+,）样品发光强度达到最大值，随后出现浓度猝灭现象，该现象主要归因于相邻Cr,3+,-Cr,3+,之间的能量传递。在蓝光激发下，KSP：0.03Cr,3+,样品光谱覆盖700-1200 nm，发射主峰位于857 nm，半高宽为149 nm。此外，通过晶体结构和低温光谱分析以及对Cr,3+,所处晶体场强度计算，表明该宽带近红外发射的实现归因于Cr,3+,占据处于弱晶体场（, $D_{q} / B$ ,https://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=49232239&type=,https://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=49232261&type=,6.77333355,3.64066648, = 1.98）的Sc,3+,晶体学格位。在高温373 K时，样品的发光强度为室温下发光强度的60.2%，表明该荧光粉具有良好的热稳定性。最后，利用该荧光粉与蓝光LED芯片制备的近红外荧光粉转换型LED （NIR pc-LED）器件，证实该荧光粉在生物医学成像、夜视以及食品检测方面具有潜在应用价值。

Abstract

The miniaturization and enhanced intelligence of near infrared （NIR） devices have stimulated the design and advancement of high-efficiency broadband NIR phosphors. It is widely believed that multisite co-occupancy strategy by Cr,3+, ions are very effective method for designing broadband near-infrared phosphors. However， Cr,3+, ions at different crystallographic sites often exhibit distinct thermal-quenching behaviors， leading to poor spectral stability， which hampers their practical applications. In our work， we prepared a series of KSc,1-x,P,2,O,7,：,x,Cr,3+, （,x, = 0.01-0.09） broadband NIR phosphors via the high temperature solid-state method using the one-site occupation strategy. The crystal structure， luminescence performance and thermal quenching mechanism of KSc,1-,x,P,2,O,7,：,x,Cr,3+, were investigated in detail. At ,x, = 0.03 ， the luminescence intensity of KSc,0.97,P,2,O,7,：0.03Cr,3+, （KSP：0.03Cr,3+,） reaches its maximum. The concentration quenching appears when ,x, exceeds 0.03， which is attributable to energy transfer between adjacent Cr,3+,-Cr,3+,. Under blue light excitation of ~ 471 nm， the KSP：0.03Cr,3+, phosphor exhibits a broadband emission ranging from 700 to 1200 nm， with a peak centered at 857 nm and a full width at half-maximum （FWHM） of ~149 nm. Structural analysis and low temperature spectroscopy indicate that the broadband NIR emission originate from Cr,3+, occupying a single Sc,3+, site with the weak crystal field （, $D_{q} / B$ ,https://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=49232263&type=,https://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=49232262&type=,6.77333355,3.64066648, = 1.98） in the KSP host. At 373 K， the integrated emission intensity of KSP：0.03Cr,3+, sample keep 60.2% of that at room temperature， suggesting good PL thermal stability. Finally， we prepared a near-infrared phosphor-converted LED device （NIR pc-LED） by utilizing the KSP：0.03Cr,3+, NIR phosphor and a blue light LED chip， and confirm its potential applications in night vision， biomedical imaging， and food detection.

关键词

近红外荧光粉单格位占据策略宽带发射Cr3+掺杂NIR pc-LED

Keywords

Near-infrared phosphorone-site occupation strategybroadband emissionCr3+NIR pc-LED

references

WEI Y， DANG P P， DAI Z， et al. Advances in near-infrared luminescent materials without Cr3+： crystal structure design， luminescence properties， and applications ［J］. Chem. Mater. ， 2021， 33 （14）： 5496-5526. doi: 10.1021/acs.chemmater.1c01325http://dx.doi.org/10.1021/acs.chemmater.1c01325

WANG Y Z， XIANG J Y， TANG Y， et al. A review of the application of near-infrared spectroscopy （NIRS） in forestry ［J］. Appl. Spectrosc. Rev. ， 2022， 57 （4）： 300-317. doi: 10.1080/05704928.2021.1875481http://dx.doi.org/10.1080/05704928.2021.1875481

FU X P， YING Y B. Food safety evaluation based on near infrared spectroscopy and imaging： a review ［J］. Crit. Rev. Food Sci. Nutr. ， 2016， 56 （11）： 1913-1924. doi: 10.1080/10408398.2013.807418http://dx.doi.org/10.1080/10408398.2013.807418

程丽娟，刘贵珊，万国玲，等. 可见/近红外高光谱成像技术对长枣中葡萄糖含量的无损检测［J］. 发光学报， 2019， 40 （8）： 1055-1063. doi: 10.3788/fgxb20194008.1055http://dx.doi.org/10.3788/fgxb20194008.1055

CHENG L J， LIU G S， WAN G L， et al. Non-destructive detective of glucose contect in Lingwu jujube by Vis/NIR hyper-spectral imaging technology ［J］. Chin. J. Lumin. ，2019， 40 （8）： 1055-1063. （in Chinese）. doi: 10.3788/fgxb20194008.1055http://dx.doi.org/10.3788/fgxb20194008.1055

SAKUDO A. Near-infrared spectroscopy for medical applications： current status and future perspectives ［J］. Clin.Chim. Acta. ， 2016， 455： 181-188. doi: 10.1016/j.cca.2016.02.009http://dx.doi.org/10.1016/j.cca.2016.02.009

李婉璐，戴鹏鹏. 多铝酸盐宽带青色荧光粉发光特性［J］. 发光学报， 2021， 42 （9）： 1376-1385. doi: 10.37188/CJL.20210178http://dx.doi.org/10.37188/CJL.20210178

LI W L， DAI P P. Luminescence Characteristics of Polyaluminate Broadband Cyan Phosphor ［J］. Chin. J. Lumin. ， 2021， 42 （9）： 1376-1385. （in Chinese）. doi: 10.37188/CJL.20210178http://dx.doi.org/10.37188/CJL.20210178

SCHUBERT E F， KIM J K. Solid-state light sources getting smart ［J］. Science， 2005， 308 （5726）： 1274-1278. doi: 10.1126/science.1108712http://dx.doi.org/10.1126/science.1108712

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

FILIPPO R， TARALLI E， RAJTERI M. LEDs： sources and intrinsically bandwidth-limited detectors ［J］. Sensors. ， 2017， 17 （7）： 1673-1-12. doi: 10.3390/s17071673http://dx.doi.org/10.3390/s17071673

KANG X W， DAI P P. Preparation and Luminescence Properties of Color-tunable Emission Cs3Gd1-x-yLuyGe3O9：xBi3+ Solid Solution Phosphor ［J］. Acta Photon Sin. ， 2022， 51 （12）： 1216002.

康新威，戴鹏鹏. 发光颜色可调Cs3Gd1-x-yLuyGe3O9：xBi3+固溶体荧光粉的制备和发光性质研究［J］. 光子学报， 2022， 51 （12）：1216002. （in Chinese）

ZHANG H S， ZHONG J Y， DU F， et al. Efficient and thermally stable broad-band near-infrared emission in a KAlP2O7：Cr3+ phosphor for nondestructive examination ［J］. ACS Appl. Mater. Interfaces. ， 2022， 14 （9）： 11663-11671. doi: 10.1021/acsami.2c00200http://dx.doi.org/10.1021/acsami.2c00200

WU Z X， HAN X X， ZHOU Y Y， et al. Efficient broadband near-infrared luminescence of Cr3+ doped fluoride K2NaInF6 and its NIR-LED application toward veins imaging ［J］. Chem. Eng. J. ， 2022， 427： 131740. doi: 10.1016/j.cej.2021.131740http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2021.131740

RAJENDRAN V， FANG M H， GUZMAN G， et al. Super Broadband Near-Infrared Phosphors with High Radiant Flux as Future Light Sources for Spectroscopy Applications ［J］. ACS Energy Letters. ， 2018， 3： 2679-2684. doi: 10.1021/acsenergylett.8b01643http://dx.doi.org/10.1021/acsenergylett.8b01643

SUN B， DAI P， ZHU H， et al. Site-selective occupation of Cr3+ ions toward ultra-broadband near-infrared emission stannate phosphors ［J］. Mater. Today Chem. ， 2022， 26： 101258. doi: 10.1016/j.mtchem.2022.101258http://dx.doi.org/10.1016/j.mtchem.2022.101258

WANG C P， WANG X M， ZHOU Y， et al. An Ultra-Broadband Near-Infrared Cr3+-Activated Gallogermanate Mg3Ga2GeO8 Phosphor as Light Sources for Food Analysis ［J］. ACS Appl Electron Ma. ， 2019， 1， 1046-1053. doi: 10.1021/acsaelm.9b00219http://dx.doi.org/10.1021/acsaelm.9b00219

XU J H， LIANG Q J， et al. Rational synthesis of solid-state ultraviolet B emitting carbon dots via acetic acid-promoted fractions of sp3 bonding strategy ［J］. Adv Mater. ， 2022， 34， 2200011. doi: 10.1002/adma.202200011http://dx.doi.org/10.1002/adma.202200011

LIU S Q， CAI H， ZHANG S Y， et al. Site engineering strategy toward enhanced luminescence thermostability of a Cr3+-doped broadband NIR phosphor and its application ［J］. Mater Chem Front. ， 2021， 5， 3841-3849. doi: 10.1039/d1qm00074hhttp://dx.doi.org/10.1039/d1qm00074h

LIU S Q， WANG Z Z， CAI H， et al. Highly efficient near-infrared phosphor LaMgGa11O19：Cr3+ ［J］. Inorg Chem Front. ， 2020， 7， 1467-1473. doi: 10.1039/d0qi00063ahttp://dx.doi.org/10.1039/d0qi00063a

ZENG H T， ZHOU T L， WANG L， et al. Two-site occupation for exploring ultrabroadband near-infrared phosphor-double-perovskite La2MgZrO6：Cr3+ ［J］. Chem. Mater. ， 2019， 31， 5245-5253. doi: 10.1021/acs.chemmater.9b01587http://dx.doi.org/10.1021/acs.chemmater.9b01587

YUAN C X， LI R Y， LIU Y F， et al. Efficient and broadband LiGaP2O7： Cr3+ phosphors for smart near-infrared light-emitting diodes ［J］. Laser Photonics Rev. ， 2021， 15 （11）： 2100227-1-8. doi: 10.1002/lpor.202100227http://dx.doi.org/10.1002/lpor.202100227

YAO L Q， SHAO Q Y， HAN S Y， et al. Enhancing near-infrared photoluminescence intensity and spectral properties in Yb3+ codoped LiScP2O7： Cr3+ ［J］. Chem. Mater. ， 2020， 32 （6）： 2430-2439. doi: 10.1021/acs.chemmater.9b04934http://dx.doi.org/10.1021/acs.chemmater.9b04934

ZHANG H S， ZHONG J Y， ZHANG X L， et al. Achieving an ultra-broadband infrared emission through efficient energy transfer in LiInP2O7： Cr3+， Yb3+ phosphor ［J］ . Alloys Compd. ， 2022， 894： 162386-1-8. doi: 10.1016/j.jallcom.2021.162386http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.162386

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， 34 337-344. doi: 10.1021/acs.chemmater.1c03671http://dx.doi.org/10.1021/acs.chemmater.1c03671

ZHANGX.， ZHANGH.， CHENC.， et al. On the luminescence properties and site occupation of Ce3+ in new AScP2O7 （A = Na， K） crystals ［J］. Mater. Lett. ， 2016， 168： 207-209. doi: 10.1016/j.matlet.2016.01.070http://dx.doi.org/10.1016/j.matlet.2016.01.070

HUANGD.， LIANGS.， CHEND.， et al. An efficient garnet-structured Na3Al2Li3F12：Cr3+ phosphor with excellent photoluminescence thermal stability for near-infrared LEDs ［J］. Chem. Eng.， 2021， 426： 131332. doi: 10.1016/j.cej.2021.131332http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2021.131332

LIN H， XU J， HUANG Q M， et al. Bandgap tailoring via Si doping in inverse-garnet Mg3Y2Ge3O12：Ce3+ persistent phosphor potentially applicable in AC-LED ［J］. ACS Appl Mater & Interfaces. ， 2015， 7 （39）： 21835-21843. doi: 10.1021/acsami.5b06071http://dx.doi.org/10.1021/acsami.5b06071

LONG X， WANG G， HAN T P J. Growth and spectroscopic properties of Cr3+-doped LaSc3 （BO3） 4 ［J］. J Cryst Growth. ， 2003， 249 （1）： 191-194. doi: 10.1016/s0022-0248(02)02073-0http://dx.doi.org/10.1016/s0022-0248(02)02073-0

BLASSE G. Energy transfer between inequivalent Eu2+ ions ［J］. J Solid State Chem. ， 1986， 62 （2）： 207-211. doi: 10.1016/0022-4596(86)90233-1http://dx.doi.org/10.1016/0022-4596(86)90233-1

BRIK MIKHAIL G，马崇庚， SRIVASTAVA ALOK M，等. 用于固态照明的Mn4+离子光谱学［J］. 发光学报， 2020， 41 （9）： 1011-1029.

BRIK M G， MA C G， SRIVASTAVA A M， et al. Mn4+ ions for solid state lighting ［J］. Chin. J. Lumin. ，2020， 41 （9）： 1011-1029. （in Chinese）

WEI Y， DANG P， DAI Z. Advances in Near-Infrared Luminescent Materials without Cr3+： Crystal Structure Design， Luminescence Properties， and Applications ［J］. Chem. Mater. ， 2021， 33 （14）： 5496-5526. doi: 10.1021/acs.chemmater.1c01325http://dx.doi.org/10.1021/acs.chemmater.1c01325

SHAOQ.， DINGH.， YAOL.， et al. Photoluminescence properties of a ScBO3：Cr3+ phosphor and its applications for broadband near-infrared LEDs ［J］. RSC Adv. ， 2018， 8： 12035-12042. doi: 10.1039/c8ra01084fhttp://dx.doi.org/10.1039/c8ra01084f

ZHANGY.， LIANGY.， MIAOS.， et al. Broadband near-infrared BaMSi3O9：Cr3+ （M = Zr， Sn， Hf） phosphors for light-emitting diode applications ［J］. Inorg. Chem. Front. ， 2021， 8： 5186-5194. doi: 10.1039/d1qi01082dhttp://dx.doi.org/10.1039/d1qi01082d

PUST P， WEILER V， HECHT C， et al. Narrow-band red-emitting Sr［LiAl3N4］：Eu2+ as a next-generation LED-phosphor material ［J］. Nat. Mater. ， 2014， 13 （9）： 891-896. doi: 10.1038/nmat4012http://dx.doi.org/10.1038/nmat4012

BLASSE G， GRABMAIER B C. Luminescent Materials ［M］. Berlin： Springer. ， 1994. doi: 10.1007/978-3-642-79017-1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-79017-1

XIA Z G， WANG X M， WANG Y X， et al. Synthesis， structure， and thermally stable luminescence of Eu2+-doped Ba2Ln （BO3） 2Cl （Ln = Y， Gd and Lu） host compounds ［J］. Inorg. Chem. ， 2011， 50 （20）： 10134-10142. doi: 10.1021/ic200988whttp://dx.doi.org/10.1021/ic200988w

吴家宇，张珍珍，李松，等 .孤立格位中的Cr3+近红外发射波长的设计与调控：以AMP2O7：Cr3+为例［J］. 发光学报， 2023， 44（2）：246-258.

ZHANG X， DAI P， WEN D. Ultra-broadband of up to 200 nm near-infrared phosphors based on one-site occupation strategy for multipurpose applications in light-emitting diodes ［J］. Ceram Int. ， 2023， 49 （3）： 4881-4888. doi: 10.1016/j.ceramint.2022.10.001http://dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.10.001

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