多功能双色BaYAlZn?O?: Bi3?/Eu3?荧光体——实现发光温度测量、植物生长用LED照明及法医应用的绿色途径

《Journal of Alloys and Compounds》：Multifunctional dual-color BaYAlZn 3O 7: Bi3+/Eu3+ phosphors: A green route to luminescence thermometry, plant-growth LEDs and forensic applications

采用菠菜叶提取物为燃料的绿色合成法制备了Bi3?/Eu3?共掺杂BYAZO荧光材料，其六方晶系结构表现出高效发光特性，内部量子效率达80.97%，色温2822K，兼具温度传感（灵敏度1.56%K?1）和植物生长LED应用潜力，同时适用于安全印刷油墨和法医指纹显影。

　　在当前的科学研究中，开发具有多种功能的新型材料成为提升技术应用的重要方向。近期，一种基于Bi3?和Eu3?共掺杂的BaYAlZn?O?（简称BYAZO）磷光体材料因其在光学、传感和安全领域的广泛应用前景而受到关注。该材料通过一种环保的溶液燃烧法合成，利用菠菜叶提取物作为天然燃料，这不仅减少了传统合成方法对环境的影响，也提高了材料的性能和稳定性。通过对材料的结构、光学特性以及功能表现的深入研究，该磷光体展现出优异的性能，尤其是在温度传感和植物生长促进方面的潜力。

Bi3?作为一种重要的稀土离子，因其独特的电子结构和发光特性，被广泛应用于多种光电器件中。Bi3?具有丰富的激发态和发射态，其发光波长范围可以从紫外到红外，这使其成为一种多功能的发光材料。然而，Bi3?的发光通常受到其周围环境的影响，尤其是在不同温度条件下的响应特性。相比之下，Eu3?以其稳定的红色发射和优异的光学性能而著称，常被用作发光材料中的激活剂。Eu3?的发射特性在常温下较为稳定，但在高温下可能会受到一定影响。因此，将Bi3?和Eu3?共掺杂于BYAZO基质中，不仅可以利用Bi3?的温度敏感性，还能通过Eu3?的稳定红色发射实现更精确的温度测量。

通过实验研究发现，Bi3?和Eu3?共掺杂的BYAZO磷光体在305 nm激发下展现出双光致发光（PL）特性，分别在410 nm和610 nm处产生Bi3?和Eu3?的发射峰。这种双发射特性为温度传感提供了理想的条件，因为不同发射峰的强度变化与温度之间存在显著的相关性。利用荧光强度比（FIR）方法，研究人员能够精确地计算出材料的相对灵敏度（S_R），其值达到1.56% K?1，表明该材料在宽温度范围内（303–573 K）具有出色的温度响应能力。这种高灵敏度使得BYAZO磷光体成为一种极具潜力的非接触式温度传感器，适用于医疗、工业和环境监测等场景。

此外，该材料还表现出良好的热致发光特性，随着温度的升高，其发光颜色从粉红逐渐向蓝色转变，这种可逆的热致变色行为使其在热指示材料领域具有重要应用价值。在实际应用中，热指示材料可以用于监测设备或系统的运行温度，例如在电子设备中作为过热报警装置，或者在包装材料中用于检测食品或药品的储存条件是否适宜。这种热致变色特性不仅依赖于材料的化学结构，还与其物理特性密切相关，例如晶体结构的稳定性、离子的分布情况以及能量转移效率。

在农业领域，该磷光体材料同样展现出显著的潜力。植物生长所需的光照条件通常需要特定的波长范围，例如蓝光（400–500 nm）和红光（600–700 nm），以促进光合作用、形态发育和开花过程。研究人员通过实验发现，Bi3?和Eu3?共掺杂的BYAZO磷光体能够有效地在这些波长范围内产生光致发光，为植物生长提供适宜的光照条件。当将这种材料应用于LED植物生长灯时，结果显示其能够显著提高豆角种子的生物量和产量。这表明，该材料不仅在光谱调控方面表现出色，还能在实际应用中实现高效的光能利用，从而提高农业生产效率。

在安全领域，该材料同样表现出优异的性能。反伪造（AC）技术在防止假冒产品方面发挥着重要作用，而传统的AC材料往往对单一刺激（如光或热）做出反应，限制了其在多层安全系统中的应用。相比之下，Bi3?和Eu3?共掺杂的BYAZO磷光体能够通过调整其发光特性来响应不同的外部刺激，从而实现更复杂的反伪造功能。研究人员发现，该材料在紫外光（365 nm）照射下能够产生可调的发光图案，这种特性使得其在多种基材上具有广泛的应用前景。此外，该材料还能够用于高分辨率指纹可视化，无论是在玻璃、叶片还是塑料卡片等不同表面上，都能清晰地显示出指纹的细节，这对于法医学和安全检测具有重要意义。

材料的合成方法也值得关注。传统的磷光体合成通常涉及高温焙烧或复杂的化学反应，这些过程不仅耗能高，还可能对环境造成污染。而本研究采用的溶液燃烧法是一种绿色合成技术，利用菠菜叶提取物作为天然燃料，不仅降低了合成过程的能耗，还减少了有害物质的排放。菠菜叶提取物富含多酚类化合物和有机酸，这些成分能够有效促进金属离子的均匀分散，并在燃烧过程中形成稳定的晶体结构。这种方法不仅适用于BYAZO磷光体的合成，也为其他新型磷光体材料的开发提供了借鉴。

材料的结构和性能分析采用了多种先进的表征技术，包括X射线衍射（XRD）、能量色散X射线光谱（EDS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）以及扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）。这些技术共同揭示了材料的晶体结构、化学组成和表面形貌，为理解其发光机制和温度响应特性提供了重要依据。XRD分析表明，该材料形成了稳定的六方晶系结构，空间群为P6?mc（186），这一结构特征有利于Bi3?和Eu3?的均匀分布和高效的能量转移。EDS和XPS分析进一步证实了材料中各元素的均匀分布和化学状态，而FTIR和SEM/TEM分析则揭示了材料的微观结构和表面形貌，为后续的性能优化提供了指导。

在实际应用中，该材料的性能优势得到了充分验证。首先，在温度传感方面，其相对灵敏度达到1.56% K?1，这一数值远高于传统温度传感器的灵敏度，表明其在高温环境下的响应能力更强。其次，在植物生长促进方面，该材料能够提供精确的蓝光和红光，从而优化植物的光合作用效率，提高生物量和产量。这不仅为农业生产提供了新的技术手段，也为环境友好型照明系统的发展提供了可能。此外，在反伪造和指纹可视化方面，该材料展现出良好的发光性能和环境适应性，能够在不同基材上提供清晰的图像，这在安全检测和法医学领域具有重要价值。

材料的多功能性源于其独特的结构和化学组成。BYAZO基质为Bi3?和Eu3?提供了稳定的化学环境，使其能够有效地进行能量转移和光致发光。Bi3?和Eu3?之间的能量转移效率达到87%，这一高效率使得材料在低能耗条件下仍能保持良好的发光性能。同时，材料的热稳定性和化学稳定性也得到了实验验证，其在不同温度和环境条件下均能保持稳定的发光特性，这为其在多种应用场景中的可靠性提供了保障。

随着全球对环保和可持续发展的重视，绿色合成技术在材料科学中的应用日益受到关注。本研究采用的菠菜叶提取物作为天然燃料，不仅符合绿色化学的原则，还为其他类型的磷光体材料提供了可借鉴的合成路径。此外，该材料在多种功能上的表现，如温度传感、植物生长促进、指纹可视化和反伪造，使其成为一种具有广泛应用前景的多功能材料。这些特性不仅满足了不同领域的技术需求，还为未来的材料设计和应用提供了新的思路。

未来的研究可以进一步探索该材料在其他领域的应用潜力，例如在生物医学成像、光通信和光催化等方面。此外，还可以通过调整掺杂比例和合成条件，优化材料的发光性能和温度响应特性，以满足更广泛的应用需求。同时，深入研究Bi3?和Eu3?在BYAZO基质中的具体作用机制，有助于揭示其高效的能量转移过程和稳定的发光特性，为相关领域的理论研究提供支持。

总之，Bi3?和Eu3?共掺杂的BYAZO磷光体材料不仅在合成方法上具有环保优势，还在多种功能应用上表现出色。其优异的温度响应能力、稳定的发光特性以及在农业、安全和传感领域的广泛应用前景，使其成为一种极具潜力的多功能材料。随着相关研究的深入，该材料有望在未来的科技发展中发挥更大的作用，为解决实际问题提供新的解决方案。