离子取代与助熔剂掺杂协同触发Al6Ge2O13:Cr3+,Si4+荧光粉近 unity 效率及高热稳定性近红外发光

为解决近红外(NIR)荧光粉效率低、热稳定性差及成本高的难题，研究人员通过Cr3+/Si4+共掺杂与LiF助熔剂优化，在Al6Ge2O13基质中实现97.4%内量子效率(IQE)及786 nm宽带发射，其100℃下发光保持率达88.23%，为生物成像与非侵入诊断提供高性能材料。

　　

在生物医学成像、食品检测和夜视技术等领域，近红外(NIR)光源的需求日益增长。然而，现有NIR荧光粉面临效率低、热稳定性差和成本高的三重挑战。尤其是Cr³⁺掺杂材料虽具潜力，但常依赖昂贵的钪(Sc)、镥(Lu)等元素，制约其实际应用。如何通过材料设计突破性能瓶颈，成为该领域的关键科学问题。

针对这一难题，江西理工大学等机构的研究团队独辟蹊径，选择成本低廉的铝锗酸盐(Al₆Ge₂O₁₃)作为基质，通过Cr³⁺/Si⁴⁺协同掺杂与LiF助熔剂调控，成功开发出兼具近 unity 效率和优异热稳定性的NIR荧光粉。相关成果发表于《Journal of Alloys and Compounds》，为低成本高性能NIR光源的研制提供了新范式。

研究采用固态反应法合成材料，结合X射线衍射(XRD)和光谱分析技术，系统考察了离子取代对晶体场环境的调控机制。通过变温荧光测试和电子顺磁共振(EPR)等手段，揭示了材料高热稳定性的物理本质。

结构及发光特性分析
XRD证实Cr³⁺成功取代Al₆Ge₂O₁₃中Al³⁺位点，Si⁴⁺则占据Ge⁴⁺位点，形成稳定的固溶体。这种双位点取代策略有效调控了晶体场不对称性，使发射峰红移至786 nm，半高宽达118 nm，覆盖重要生物组织透射窗口。

量子效率优化机制
引入0.75% LiF助熔剂显著降低了非辐射复合，使内量子效率(IQE)提升至97.4%。第一性原理计算表明，LiF的加入有效抑制了氧空位缺陷的形成，减少了能量损耗通道。

热稳定性突破
该材料在100℃下仍保持88.23%的发光强度，活化能达0.21 eV。低频振动光谱显示Huang-Rhys因子S=1.03，证实电子-声子耦合作用被显著抑制，这是通过GeO₄四面体的低声子能量特性实现的。

器件性能验证
组装的NIR pc-LED在320 mA驱动电流下，输出功率达91.79 mW，光电转换效率为8.75%，性能优于多数报道的Cr³⁺基器件。

这项研究通过晶格位点工程与缺陷控制的协同策略，实现了NIR荧光粉效率与稳定性的双重突破。其创新性体现在：1）利用GeO₄四面体的结构优势降低声子能量；2）通过双离子取代精确调控晶体场环境；3）采用LiF助熔剂实现缺陷钝化。所开发的材料体系不仅成本仅为含Sc体系的1/5，更在性能上超越多数稀土基材料，为NIR光谱技术在生物医学等领域的普及应用奠定了材料基础。特别值得注意的是，该工作提出的"基质声子工程"概念，为后续设计高热稳定性发光材料提供了普适性思路。