創(chuàng)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(fā)了一類外量子效率高、熱穩(wěn)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(tǒng)“熒光粉+有機硅脂”不能兼顧吸收效率高、內(nèi)量子效率高和熱猝滅低的問題，從而實現(xiàn)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(diào)節(jié)、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(guī)模普及，人們期待將傳統(tǒng)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(xiàn)對食品、藥物、衣物等的即時檢測和對人體健康的實時監(jiān)控。然而，傳統(tǒng)的鹵鎢燈和超連續(xù)激光具有體積大和效率低的缺點，而NIR發(fā)光二極管（LED）的發(fā)射帶窄且價格高，均不能滿足應用要求。因此，開發(fā)價格低、效率高、體積小的寬帶近紅外光源是實現(xiàn)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(fā)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(xiàn)超寬帶NIR發(fā)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(fā)態(tài)電子的非輻射躍遷幾率隨著基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間的能量間距變小而增加，NIR發(fā)射在本質(zhì)上更難實現(xiàn)高效率和高熱穩(wěn)定性。與其他NIR發(fā)光離子相比，三價鉻離子（Cr³⁺）在內(nèi)量子效率（IQE）和光譜可調(diào)性等方面均已表現(xiàn)出明顯優(yōu)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(huán)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(wěn)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(fā)了一類外量子效率高、熱穩(wěn)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(fā)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(fā)光材料。它不但具有高的熱導率和極好的物理化學穩(wěn)定性，而且可以提高激活離子對激發(fā)光的吸收率，這是因為入射光在熒光陶瓷內(nèi)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(xiàn)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(nèi)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(fā)光效率和熱穩(wěn)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(fā)射調(diào)控為Y₂CaAl₄SiO₁₂:Cr³⁺的寬帶近紅外發(fā)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(fā)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(fā)，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(fā)更高效率的超寬帶NIR（半高寬>250nm）熒光陶瓷。