Sc3+掺杂Ga2O3:Cr3+近红外荧光粉的晶体场调控与高效宽带发光机制研究

针对近红外(NIR)荧光粉发光效率低、光谱窄等瓶颈问题，研究人员通过Sc3+离子掺杂调控Ga2O3:Cr3+晶体场环境，成功制备出发射峰红移、半峰宽达116 nm的高效荧光粉，所构建pc-LED器件在300 mA电流下实现874.2 mW输出功率，在生物成像与防伪领域展现突出应用价值。

　　

在夜视成像、生物检测等领域，近红外(NIR)光源如同"黑夜中的眼睛"，其性能直接决定探测精度。然而现有技术面临三重困境：传统荧光粉量子效率低下犹如"微弱烛光"，发射光谱狭窄好比"管中窥豹"，热猝灭效应严重导致"昙花一现"。更棘手的是，多数Cr³⁺激活材料需还原气氛制备，工艺复杂性堪比"戴着镣铐跳舞"。

浙江大学的研究团队另辟蹊径，选择β-Ga₂O₃这一无需保护气氛的基质材料作为突破口。通过Sc³⁺离子精准取代Ga³⁺位点，如同"分子手术刀"般调控Cr³⁺的晶体场环境，成功制备出Ga_1.97-xSc_xO₃:0.03Cr³⁺系列荧光粉。该成果发表于《Materials Today Communications》，为NIR光源设计提供了新范式。

研究采用高温固相法合成样品，通过X射线衍射(XRD)确认晶体结构，结合荧光光谱仪分析光致发光(PL)特性，并构建pc-LED器件测试光电性能。特别采用红外相机进行穿透成像实验，验证材料在生物检测中的应用潜力。

【晶体结构与形貌】XRD精修显示Sc³⁺掺杂未改变β-Ga₂O₃单斜相结构，但引起晶格膨胀。扫描电镜(SEM)观察到粒径1-3 μm的规则多面体形貌，这种高结晶度为高效发光奠定基础。

【光学性能调控】Sc³⁺的引入使Cr³⁺的⁴A₂→⁴T₂跃迁产生72 nm红移，发射光谱覆盖650-1000 nm。通过Tanabe-Sugano理论计算证实晶体场强度降低是红移根源，半峰宽拓展至116 nm，较未掺杂样品提升近2倍。

【器件性能】封装后的pc-LED在300 mA驱动下，光电转换效率达25%，输出功率874.2 mW。穿透实验显示其可清晰识别塑料板后的人体掌纹，防伪测试中隐形图案显现度达商业级要求。

该研究通过晶体场工程实现了荧光粉性能的"三重突破"：光谱调谐范围创纪录、热稳定性提升50%、斯托克斯位移(Stokes shift)优化。这种"一材多用"的设计策略，不仅解决了NIR光源的卡脖子问题，更开辟了荧光粉设计新思路——利用同价离子掺杂微调局域结构，为智能照明、生物诊疗等领域提供了理想光源解决方案。正如研究者Gongxun Bai团队强调的，这种材料体系的可扩展性，有望催生新一代"可定制化"NIR发光材料。