Cr3+激活Gd3AlGa4O12石榴石近红外荧光粉：近乎完美的量子效率与突破性抗热猝灭性能

针对宽带近红外(NIR)荧光材料量子效率(QE)不足和热猝灭(TQ)严重的难题，研究人员通过设计Gd3AlGa4O12:Cr3+石榴石体系，实现了98.23%的内量子效率(IQE)和135.1%@483K的抗热猝灭性能，其原型NIR pc-LED器件输出功率达285.38mW，为植物生长、无损检测等领域提供了高性能微型化光源解决方案。

　　

【研究背景】
在智能传感与生物医学领域，宽带近红外(NIR)光源如同"黑夜中的眼睛"，其应用涵盖从植物工厂的光合调控到人体组织的无创成像。然而传统光源如卤素灯笨重低效，而NIR LED芯片又受限于窄光谱带宽。荧光粉转换LED(pc-LED)技术虽能兼顾宽光谱与小型化，却长期被两大"阿喀琉斯之踵"困扰：量子效率(QE)难以突破90%大关，工作时产生的热猝灭(TQ)效应更会导致性能断崖式下跌。这种"鱼与熊掌不可兼得"的困境，使得现有材料如Mg₂LaTaO₆:Cr³⁺(QE 85.6%、423K下剩64.2%)或K₂CaP₂O₇:Cr³⁺(QE仅7.3%)始终难以满足实际需求。

广东工业大学的研究团队将目光投向具有刚性结构的石榴石家族，通过精确调控Gd₃AlGa₄O₁₂(GAGG)基质中Al/Ga比例与Cr³⁺掺杂浓度，成功制备出兼具近完美QE与反常抗热猝灭特性的荧光粉。这项发表于《Journal of Luminescence》的研究，犹如为NIR光源领域注入一剂"强心针"。

【关键技术】
研究采用高温固相法合成GAGG:xCr³⁺(x=0-0.11)系列样品，通过X射线衍射(XRD)确认相纯度，结合变温光谱与第一性原理计算阐明抗热猝灭机制。利用蓝光LED芯片集成制备pc-LED原型器件，测试其输出功率与 wall-plug效率(WPE)。

【研究结果】

1. 材料与合成：
   通过精确控制Ga/Al 1:1占位的B位点，构建强晶体场环境。XRD显示所有样品均保持纯石榴石相，Cr³⁺掺杂引起晶格收缩(衍射峰右移)。

2. 相鉴定与晶体结构：
   Rietveld精修揭示Cr³⁺优先占据八面体Ga位。EPR谱证实Cr³⁺的3d³电子组态，第一性计算显示宽禁带(4.72eV)与弱电子-声子耦合(EPC)。

3. 发光性能：
   最优样品GAGG:0.07Cr³⁺在蓝光激发下产生600-1100nm宽带发射(FWHM 113nm)。变温测试显示483K时发光强度升至室温的135.1%，突破传统TQ理论极限。

4. 机理分析：
   构建位形坐标模型，发现热激活电子从⁴T₂→²E的逆向跃迁补偿了能量损耗，Al/Ga有序排列抑制非辐射弛豫。

5. 器件应用：
   pc-LED原型在1170mA驱动下输出285.38mW，30mA时WPE达17.42%，显著优于商用NIR光源。

【结论与展望】
该研究通过"刚柔并济"的材料设计策略：利用石榴石刚性骨架抑制声子散射，同时调控Cr³⁺激发态动力学实现热致发光增强。98.23%的IQE与135.1%@483K的抗TQ性能，使其成为目前唯一同时突破QE与TQ瓶颈的NIR荧光粉。原型器件在食品检测、静脉成像等场景展示出卓越性能，为智能穿戴设备与微型光谱仪提供了关键光源解决方案。未来通过能带工程进一步拓展发射波长，有望开辟NIR-II区(1000-1700nm)生物成像新应用。