多功能Pr3+掺杂CaAl12O19荧光粉：面向白光LED与犯罪现场诊断的双模式平台

本文系统研究Pr3+掺杂CaAl12O19荧光粉的发光特性与多场景应用。该材料在445 nm激发下呈现610/652 nm特征发射（CIE: 0.5901, 0.3753），具79.6%量子效率与3.32% K?1温度灵敏度，成功应用于高显指白光LED（CRI=87）、潜指纹三级特征识别及防伪墨水开发，为光电材料与 forensic technology 提供创新解决方案。

　　

Highlight

Pr³⁺掺杂CaAl₁₂O₁₉荧光粉展现出卓越的多功能特性：在445 nm蓝光激发下产生610 nm和652 nm的强红光发射，其CIE色度坐标（0.5901, 0.3753）和89.7%色纯度完美契合暖白光LED需求。更引人注目的是，该材料在300-480 K温度区间表现出86.6%的热稳定性，并具备3.32% K^?1的超高温度灵敏度，为非接触式光学测温（FIR技术）提供了理想平台。

材料与方法

实验采用硝酸盐-尿素燃烧法合成系列Pr³⁺掺杂（1-6 mol%）CaAl₁₂O₁₉荧光粉。所有化学试剂均为Sigma-Aldridch分析纯级别，包括六水合硝酸钙（Ca(NO₃)₂·6H₂O）、九水合硝酸铝（Al(NO₃)₃·9H₂O）和六水合硝酸镨（Pr(NO₃)₃·6H₂O）。尿素作为燃料，去离子水为溶剂，通过低温燃烧反应获得纳米级荧光粉末。

结果与讨论

XRD分析证实所有样品均形成纯相hibonite结构（JCPDS#07-0085）。随着Pr³⁺掺杂量增加，（107）晶面衍射峰向低角度偏移，表明Pr³⁺成功取代Ca²⁺位点引起晶格膨胀。FE-SEM显示样品由不规则微米颗粒组成，呈现典型燃烧合成产物的多孔结构。光致发光光谱显示Pr³⁺离子的特征f-f跃迁发射，包括³P₀→³H₆（566 nm）、³P₀→³H₆（597 nm）以及最强发射¹D₂→³H₄（610 nm）和³P₀→³F₂（652 nm）。浓度淬灭效应在3 mol%时出现，主导机制为电偶极-电偶极（d-d）相互作用。

光学测温应用

基于Pr³⁺离子的热耦合能级（TCELs：³P₀/³P₁）和非热耦合能级（NTCELs：³P₀/¹D₂）的荧光强度比（FIR）技术，材料在300-480 K区间表现出优异的温度响应特性。最大相对灵敏度达3.32% K^?1（300 K），活化能为0.319 eV，证实其作为光学温度传感器的巨大潜力。

白光LED应用

采用445 nm蓝光芯片与CAO:3Pr³⁺荧光粉构建的白光LED器件呈现5187 K相关色温与87显色指数，发射光谱覆盖450-700 nm范围，成功实现暖白光发射。CIE坐标位于白光区域（0.33, 0.32），证实其在固态照明领域的应用价值。

法庭科学应用

该荧光粉在潜指纹（LFPs）和唇印（LPs）检测中展现突破性性能：可在多种基底表面清晰呈现指纹的I-III级脊线特征（包括分支点、终点和汗孔），同时能区分I-V型唇纹模式。其红色发射有效规避基底自发荧光干扰，大幅提升成像对比度。

防伪墨水应用

将荧光粉分散于聚乙烯醇（PVA）基质中，在365 nm紫外光激发下产生强烈红色荧光，其优异的分散性和光稳定性为高端防伪墨水开发提供了新材料解决方案。

结论

本研究成功开发出兼具光学测温、白光照明、法庭鉴定和防伪四重功能的Pr³⁺掺杂CaAl₁₂O₁₉荧光材料。其79.6%的量子效率、1392 K的低温发光特性以及卓越的热稳定性，为多功能光电材料的设计提供了典范，尤其在犯罪现场快速诊断领域展现出颠覆性应用潜力。