科研人员开发出高性能荧光粉助力农林产业高质量发展

2023-03-23 · 阅读

Chen Jin ^a ^b, Rui yang Li ^b, Yong fu Liu ^b*, Chun hui Zhou ^a*, Peng Sun ^b, Zhao hua Luo ^b, Ze hua Liu ^b, Jun Jiang ^b*
High-performance Gd₃Al₄GaO₁₂:Cr³⁺ phosphors for next-generation far-red LEDs,
Materials Research Bulletin, 2023, 163, 112234

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Materials Research Bulletin, 2023, DOI: //doi.org/10.1016/j.materresbull.2023.112234

深红（Far-red, FR）和近红外（Near-infrared, NIR）光谱技术具有穿透性强、无损、特征吸收等优点，被应用于生物成像、夜视、食品检测、植物生长等领域。众所周知，红/光敏色素（Red/photosensitive pigment, P_R）和深红/光敏色素（Far-red/phytochrome, P_FR）在植物生长起着重要作用，如调节开花、叶以及茎的膨大等。P_FR在730 nm处有吸收，带宽约为80 nm。由FR/NIR荧光粉和蓝光芯片结合制造的荧光转换发光二极管（Phosphor-converted light-emitting diodes, pc-LED），由于体积小、辐射通量高、耐用性好等优点，是目前最有前途的FR/NIR发光器件。然而，FR/NIR荧光粉的低外量子效率和较差的热稳定性，是阻碍FR/NIR pc-LED的光电转换效率提高及其探究新应用的关键瓶颈。开发具有合适的光致发光、满足P_FR吸收并在蓝光下高效激发的荧光粉是如今面临的挑战。
目前，FR荧光粉主要由Eu²⁺、Mn²⁺/Mn⁴⁺或Cr³⁺离子激活。Cr³⁺的3d³电子结构取决于基质的晶体场强度。因此，通过对基质材料的组分优化，Cr³⁺表现出从尖峰到宽频带的可调发射。Cr³⁺掺杂石榴石基荧光粉具有从FR到NIR区域的可调发射。石榴石矿物，可以由多个原子形成固溶体，表现出可调节的晶体场。例如，Gd₃Ga₅O₁₂: Cr³⁺在蓝光下发射700 ~ 760 nm的光，适合P_FR吸收。因此，Gd₃Ga₅O₁₂: Cr³⁺被认为是有前途的光形态发生FR pc- LED荧光材料。但是，采用溶胶-凝胶燃烧法制备的粉末的内量子效率仅为30%。将制备方法改为高温固相法，内量子效率提高到90.3%。例如，将离子半径较小的Lu³⁺和Al³⁺引入Gd₃Ga₅O₁₂:Cr³⁺中，通过替换Gd³⁺和Ga³⁺，在Gd_3-xLu_xGa₄AlO₁₂:Cr³⁺中形成中间晶体场。组分取代使光谱略微蓝移，在728 nm处的发射适合于P_FR。此外，EQE为32%，在150℃时，热稳定性保持在室温下的75%。基于Gd₃Ga₅O₁₂:Cr³⁺荧光粉制备的FR pc- LED对植物生长的光形态建成有积极的影响。目前所报道的FR pc-LED的光电转换效率在100mA时仅为15%左右。
近期，浙江工业大学化学工程学院和中国科学院宁波材料技术与工程研究所的研究人员合作，通过调节Al/Ga比，开发了一种优良的FR荧光粉Gd₃Al₄GaO₁₂: Cr³⁺(GAGG:Cr³⁺)。在烧结过程中采用高温固相法加入H₃BO₃作为助熔剂。GAGG: Cr³⁺具有中间晶体场，在650 ~ 850 nm范围内呈现宽带。半高宽为71 nm，激发峰约为734 nm，与P_FR吸收相匹配。通过优化H₃BO₃和Cr³⁺的浓度，外量子效率提高到47.2%，在150℃时热稳定性保持在室温的96.8%。由于其优异的性能，由GAGG: Cr³⁺荧光粉制造的FR pc-LED在100mA下光电转换效率达到24%。这表明GAGG: Cr³⁺材料在下一代FR光源中具有良好的性能和应用前景。该工作日前以题为“High-performance Gd₃Al₄GaO₁₂:Cr³⁺ phosphors for next-generation far-red LEDs”—— 发表在材料科学与工程领域的重要刊物《Materials Research Bulletin》上。
新方法采用高温固相法制备了具有石榴石结构的纯相Gd₃Al₄GaO₁₂:Cr³⁺荧光粉，该制备工艺简单，重复性好，具有工业化制备粒径为10 nm左右的 Gd₃Al₄GaO₁₂:Cr³⁺荧光粉的潜力。归因于所开发的GAGG:Cr³⁺荧光粉良好热稳定性和优异外量子效率的协同优化，与蓝光芯片结合制备的FR pc-LED器件的优异性能（10mA下光电转换效率为33.5%），其吸收带与植物的吸收相匹配，这些研究表明，GAGG:12%Cr³⁺荧光粉可以被450nm蓝光捕捉，并应用于下一代植物生长以及农作物生产等照明设备。

Abstract

Far-red (FR) photosensitive pigment (PFR) is important for plant photomorphogenesis. Phosphor-converted (pc) LED is the next-generation FR light device. How to obtain FR-emitting phosphors with a good external quantum efficiency (EQE), suitable photoluminescence and high thermal stability is still a challenge. Herein, by optimizing the sintering technology and chemical design, we develop an excellent FR phosphor, Gd3Al4GaO12:Cr3+. The phosphor has an emission peak at 734 nm and a band width of 70 nm, matched well with the PFR absorption band. By adjusting the flux of H3BO3 and Cr3+ concentration, the EQE reaches 47.2%, and the thermal stability maintains 96.8% at 423 K. Because of its excellent optical properties, the power-conversion efficiency of the FR pc-LED reaches 24.0% driven at 100 mA, demonstrating the high performance and promising applications in the next-generation FR light source.

Graphical abstract

a
College of Chemical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, PR China
^b
Ningbo Institute of Materials Technology & Engineering, Chinese Academy of Sciences, Ningbo 315201, PR China

Received 14 February 2023, Revised 7 March 2023, Accepted 14 March 2023, Available online 15 March 2023, Version of Record 20 March 2023.

（J Chen 编报）

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