創(chuàng)新點(diǎn)：浙江大學(xué)邱建榮教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)一種簡(jiǎn)易的玻璃晶化技術(shù)開(kāi)發(fā)了一類(lèi)外量子效率高、熱穩(wěn)定性好的寬帶近紅外熒光陶瓷。這類(lèi)熒光陶瓷作為全無(wú)機(jī)轉(zhuǎn)換體，可以從根本上解決傳統(tǒng)“熒光粉+有機(jī)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(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)熒光轉(zhuǎn)換型寬帶近紅外LED的高效率、高功率密度輸出。

關(guān)鍵詞：Advanced Science，近紅外，陶瓷，微型光源，浙江大學(xué)

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(yáng)模擬器以及光譜分析技術(shù)等諸多領(lǐng)域具有不可替代的作用。近年來(lái)，隨著手機(jī)、智能手表等移動(dòng)電子設(shè)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(shí)現(xiàn)對(duì)食品、藥物、衣物等的即時(shí)檢測(cè)和對(duì)人體健康的實(shí)時(shí)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(diǎn)，而NIR發(fā)光二極管（LED）的發(fā)射帶窄且價(jià)格高，均不能滿足應(yīng)用要求。因此，開(kāi)發(fā)價(jià)格低、效率高、體積小的寬帶近紅外光源是實(shí)現(xiàn)上述應(yīng)用場(chǎng)景的關(guān)鍵之一。

“藍(lán)光LED+熒光粉”的熒光轉(zhuǎn)換型LED（pc-LED）是一種極具應(yīng)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(guò)混合一種或多種NIR熒光粉實(shí)現(xiàn)超寬帶NIR發(fā)射。相比于白光pc-LED，NIR pc-LED中“藍(lán)光→近紅外光”轉(zhuǎn)換的量子缺損（Stokes能量損耗）更大，因此對(duì)NIR熒光粉的性能要求更高。但是，因?yàn)榧ぐl(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(shí)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(jià)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(shì)。但是，由于相關(guān)能級(jí)躍遷是偶極禁戒的，Cr³⁺激活的熒光粉對(duì)藍(lán)光的吸收弱，外量子效率（EQE）低，而提高摻雜濃度會(huì)導(dǎo)致IQE下降和熱猝滅加重。此外，熒光粉需要有機(jī)硅脂、環(huán)氧樹(shù)脂等進(jìn)行LED器件封裝，而這類(lèi)透明有機(jī)材料的熱導(dǎo)率極低且物理化學(xué)穩(wěn)定性差。

浙江大學(xué)邱建榮教授和肖文戈博士等人針對(duì)上述問(wèn)題，通過(guò)一種簡(jiǎn)單的玻璃晶化技術(shù)開(kāi)發(fā)了一類(lèi)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(wú)機(jī)轉(zhuǎn)換體，獲得了一種高性能的NIR pc-LED。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Advanced Science上，論文第一作者為博士研究生鄭國(guó)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(dǎo)率和極好的物理化學(xué)穩(wěn)定性，而且可以提高激活離子對(duì)激發(fā)光的吸收率，這是因?yàn)槿肷涔庠跓晒馓沾蓛?nèi)部受到的散射較弱，其有效傳播距離更長(zhǎng)。熒光陶瓷一般采用粉末燒結(jié)法制備，這種方法主要借助高溫、高壓、高真空等極端條件來(lái)實(shí)現(xiàn)塊體材料的致密化，成本高、工藝復(fù)雜。該研究團(tuán)隊(duì)在前期工作中，通過(guò)玻璃組分設(shè)計(jì)和晶化過(guò)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(kāi)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(fù)合熒光轉(zhuǎn)換材料制備新技術(shù)（Nature Commun., 11, 2805 (2020) ）。近日，該研究團(tuán)隊(duì)以釔鋁石榴石（Y₃Al₅O₁₂）為基礎(chǔ)，通過(guò)陽(yáng)離子組分設(shè)計(jì)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(zhǎng)760 nm，半高寬160 nm）。所獲得的熒光陶瓷的IQE/EQE高達(dá)90.1%/59.5%，在150℃時(shí)其發(fā)光強(qiáng)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(wú)機(jī)寬帶NIR pc-LED原型器件（NIR光電轉(zhuǎn)換效率為21.2%@100 mA），并演示了其在夜視和近紅外光譜等領(lǐng)域的應(yīng)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(lán)色激光相結(jié)合，進(jìn)一步拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。該研究團(tuán)隊(duì)還表示，他們正在采用玻璃晶化技術(shù)開(kāi)發(fā)更高效率的超寬帶NIR（半高寬>250nm）熒光陶瓷。