高熵工程策略突破Cr3+激活石榴石荧光粉的波长-效率权衡

本研究针对Cr3+激活石榴石近红外(NIR)荧光粉存在的波长-效率权衡问题，创新性采用高熵工程策略，通过五元离子(Mg2+/Zn2+/Al3+/Ga3+/Sc3+)共掺杂于[GaO6]八面体位点，成功合成Gd3(Mg0.4Zn0.4Al0.4Ga0.4Sc0.4)(Ga2.2Ge0.8)O12:Cr3+荧光粉，实现815 nm发射波长与73.7%内量子效率(IQE)的协同优化，为便携式光谱设备提供高性能NIR光源解决方案。

　　

在智能微型设备蓬勃发展的今天，近红外(NIR)光谱技术因其非侵入性特质，已成为食品检测、生物医学等领域的重要工具。然而传统钨卤素灯体积庞大，而现有Cr³⁺激活石榴石荧光粉面临严峻的波长-效率矛盾：高效率材料如Gd₃Sc_1.5Al_0.5Ga₃O₁₂:Cr³⁺虽达91%内量子效率(IQE)，但发射波长仅756 nm；而通过Mg²⁺-Ge⁴⁺取代实现红移的材料却伴随效率骤降。这种"鱼与熊掌不可兼得"的困境严重制约NIR荧光粉转换LED(pc-LED)的应用。

吉林某研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表的研究中，独辟蹊径引入高熵材料设计理念。通过将Mg²⁺、Zn²⁺、Al³⁺、Ga³⁺、Sc³⁺五种离子以等摩尔比(各0.4)掺杂于[GaO₆]八面体位点，配合Ge⁴⁺电荷补偿，成功制备出Gd₃(Mg_0.4Zn_0.4Al_0.4Ga_0.4Sc_0.4)(Ga_2.2Ge_0.8)O₁₂:Cr³⁺(GMG:Cr³⁺)。该材料在450 nm蓝光激发下，不仅发射峰红移至815 nm，半高宽达180 nm，IQE更突破至73.7%，其组装的NIR pc-LED在100 mA驱动电流下实现20.2 mW输出功率和7.46%光电转换效率。

关键技术包括：1）固态反应法合成高熵荧光粉；2）X射线衍射(XRD)验证晶体结构；3）光谱分析系统量化发光性能；4）蓝光LED芯片封装测试器件性能。

【晶体结构】XRD证实五元掺杂未改变石榴石立方相结构，但引起晶格膨胀（2θ角左移），这种高熵诱导的晶格畸变为Cr³⁺创造多样化配位环境。
【发光特性】发射光谱显示，相较于单/双元素取代体系，高熵设计使Cr³⁺的⁴T₂→⁴A₂跃迁显著红移，且斯托克斯位移增大，源于配位场强度的精准调控。
【性能比较】在相同Gd₃Ga₅O₁₂体系中，传统双元素取代材料的IQE随波长红移从90%骤降至40%，而高熵材料在815 nm处仍保持73.7%效率，打破"红移必降效"的魔咒。

该研究开创性地将高熵工程引入发光材料领域，通过构建"鸡尾酒式"多元掺杂体系，实现Cr³⁺配位环境的微环境调控，为突破波长-效率权衡提供普适性策略。所获荧光粉兼具长波长与高效率，满足便携式光谱仪对紧凑型NIR光源的严苛需求，更启示通过熵调控优化功能材料性能的新范式。