高效宽带近红外荧光粉Ca2YHf2Ga3O12:Cr3+的研发及其在防伪领域的应用

针对现有近红外(NIR)荧光粉半峰宽(FWHM)窄、量子效率低及热稳定性差等问题，研究人员通过高温固相法设计出新型石榴石结构荧光粉CYHG:Cr3+，其发射峰794 nm、FWHM达189 nm，内/外量子效率(IQE/EQE)分别为82%/22%，423K下仍保持60%发光强度。所构建NIR pc-LED器件输出功率62mW，为夜视、无损检测及防伪提供了高性能光源解决方案。

　　

在食品检测、生物组织成像和夜视技术等领域，近红外(NIR)光源如同"看不见的探照灯"，能穿透表层揭示物质内部信息。然而当前主流光源如卤钨灯体积笨重，超连续激光器成本高昂，而基于荧光粉转换的NIR pc-LED虽具小型化优势，却受限于荧光材料性能瓶颈——犹如试图用窄口径漏斗灌装宽口瓶，传统NIR荧光粉普遍存在发射带宽(FWHM)不足、量子效率低下、高温下"熄火"等问题。特别是防伪应用需要光源同时具备宽带响应和高稳定性，这促使科学家们将目光投向性能更优越的荧光材料设计。

北京科技大学的研究团队在《Materials Research Bulletin》发表的研究中，创新性地采用高温固相法合成出Ca₂YHf₂Ga₃O₁₂:Cr³⁺(CYHG:Cr³⁺)荧光粉。这种石榴石结构(A₃B₂C₃O₁₂)材料通过精确调控Cr³⁺在八面体晶格场中的配位环境，成功实现了宽带发射与高效发光的平衡。研究显示，该材料在蓝光激发下产生峰值794 nm、覆盖700-1100 nm的超宽发射带(FWHM=189 nm)，其内量子效率(IQE)高达82%，即使在423K高温下仍保持60%的发光强度。基于此开发的NIR pc-LED器件在380mA驱动电流下输出功率达62mW，性能指标显著优于同类材料。

关键技术方法
研究采用高温固相法合成CYHG:Cr³⁺，通过X射线衍射(XRD)和Rietveld精修确认晶体结构，使用荧光光谱仪测试光致发光性能，并构建NIR pc-LED器件评估实际应用效果。关键创新在于通过Ga³⁺替代Al³⁺优化晶格场强度，使Cr³⁺的⁴T₂→⁴A₂跃迁主导宽带发射。

研究结果

1. 材料与合成
   通过1250℃高温烧结获得纯相CYHG:Cr³⁺，XRD图谱与PDF#75-0530标准完全匹配，Rietveld精修残差因子R_p=8.37%，证实成功构建石榴石结构。

2. 结果与讨论
   光谱分析显示Cr³⁺在弱晶场中产生宽带发射，最佳掺杂浓度4.27 mol%时EQE达22%。热猝灭分析表明其活化能(E_a)为0.28 eV，解释高温稳定性机制。

3. 结论
   该研究不仅提供了一种FWHM达189 nm的高效NIR荧光粉，更通过器件验证其实际应用价值。相较于已报道的Ca₂LuScGa₂Ge₂O₁₂:Cr³⁺(59%@423K)和Gd₃Zn_xGa_5-2xGe_xO₁₂:Cr³⁺(IQE=79.6%)等材料，CYHG:Cr³⁺在宽带特性与热稳定性间取得更好平衡。

意义与展望
这项工作通过精准的晶体场工程，解决了NIR荧光粉"宽而不强"或"强而不宽"的矛盾。其开发的pc-LED器件在62mW输出功率下可满足夜视系统对光源小型化的需求，宽光谱特性尤其适合多光谱防伪识别。未来通过进一步优化封装工艺和掺杂比例，有望在生物组织成像等领域实现更广泛应用。正如研究者Linlin Wang等指出，这种材料设计策略为开发"性能可定制"的NIR发光材料提供了新范式。