Pr3+掺杂(Gd,Y)3Al2Ga3O12透明陶瓷的紫外上转换发光与能量传递机制研究

研究人员针对紫外上转换发光(UV-UCL)效率提升难题，通过设计Pr3+掺杂及Ce/Tb共掺杂的(Gd,Y)3Al2Ga3O12(GYAGG)石榴石结构透明陶瓷，在1720℃氧气氛中烧结制备样品。研究发现两光子450/488 nm激光激发可产生314 nm的明亮6P7/2→8S7/2(Gd3+)紫外发射，最优Gd/Y比为1:2，5K时UCL强度提升7倍。该材料为可见光驱动的表面灭菌涂层开发提供了新思路。

　　

在光功能材料领域，实现高效的上转换发光（Up-conversion luminescence, UCL）一直是科学家们追逐的目标。传统研究多聚焦于红外光激发可见光发射的体系，而俄罗斯科学基金会支持的研究团队另辟蹊径，将目光投向更具挑战性的可见光激发紫外发射（UV-UCL）系统。这种技术若能突破，将革命性地改变表面灭菌、防伪加密等领域的应用格局——想象一下，仅用普通蓝光LED照射就能产生杀菌紫外线的神奇材料！

俄罗斯科学院库尔恰托夫研究所国家研究中心"Kurchatov Institute"的研究人员选择(Gd,Y)₃Al₂Ga₃O₁₂（GYAGG）石榴石结构透明陶瓷作为基质，通过精心设计Pr³⁺掺杂及Ce³⁺/Tb³⁺共掺杂策略，在1720℃氧气氛中制备出系列样品。研究采用逆向共沉淀法合成前驱体，通过Xe灯激发荧光光谱仪和低温（5-300K）激光激发系统，系统表征了材料的UCL特性。

在<实验细节>部分，研究人员发现采用逆向共沉淀法制备的粉末具有~2μm的单峰粒径分布。通过1720℃氧气氛烧结获得的陶瓷样品，在450/488 nm激光激发下，首次观测到源自Gd³⁺的314 nm特征发射（⁶P_7/2→⁸S_7/2跃迁）。

<样品表征>结果显示，Gd/Y比例对UCL效率具有决定性影响。当Gd/Y=1/2时达到最佳性能，这源于Gd³⁺亚晶格与Pr³⁺之间的高效能量传递。引人注目的是，5K低温下UCL积分强度比室温提升7倍，揭示了温度猝灭效应对性能的重要影响。

<结论>部分指出，Ce³⁺/Tb³⁺共掺杂虽会通过Gd³⁺→Ce³⁺/Tb³⁺能量转移降低UCL效率，但证实了GYAGG体系中多离子协同作用的可调控性。这项工作不仅为可见光驱动的UV-UCL材料设计提供了新范式，其揭示的Gd³⁺亚晶格能量传递机制更对开发新型光催化、灭菌涂层具有重要指导意义。论文发表于《Optical Materials》，展现了透明陶瓷在高端光功能材料领域的巨大潜力。