近紫外激发Fe3+掺杂钙钛矿氧化物Ca3TeO6荧光粉的宽带近红外发光特性及其应用研究

研究人员针对Fe3+掺杂近红外（NIR）荧光材料发光强度低、激发波长短等瓶颈问题，开发了新型钙钛矿结构Ca3TeO6:Fe3+荧光粉。该材料在365 nm近紫外光激发下可发射750-1200 nm宽带NIR光（峰值~910 nm），并通过Na+/Zn2+共掺杂使发光强度提升40%以上。研究成果为PC-LEDs在成像检测领域的应用提供了高效无毒的新型光源解决方案。

　　

在近红外光谱技术广泛应用于成分检测、夜视成像和医疗诊断的今天，传统光源如卤钨灯存在能耗高、体积大的缺陷，而基于稀土离子的窄带发射光源又难以满足宽带光谱需求。尽管Cr³⁺掺杂材料能实现光谱调控，但其毒性及制备过程中不可避免产生的高价态铬离子严重制约了应用。这一背景下，具有d⁵电子构型的Fe³⁺因其稳定的价态、生物相容性和宽带发射特性（源于⁴T₁(⁴G)→⁶A₁(⁶S)跃迁），成为替代Cr³⁺的理想选择。然而现有Fe³⁺掺杂材料普遍存在激发波长短（<300 nm）、发光效率低等难题。

为解决这一科学问题，中国的研究团队通过高温固相法成功合成新型钙钛矿结构Ca₃TeO₆:Fe³⁺（CTO:Fe³⁺）荧光粉。该材料创新性地实现了365 nm近紫外光激发下的高效宽带近红外发射（FWHM=137 nm），并通过离子共掺杂策略显著提升发光效率。相关成果发表在《Optics》期刊，为开发新一代无毒高效NIR光源提供了重要参考。

研究采用X射线衍射（XRD）精修确认Fe³⁺占据Te⁶⁺位点形成[FeO₆]八面体结构，高分辨透射电镜（HRTEM）显示3.978 ?晶面间距与标准结构匹配。通过变温光谱和第一性原理计算阐明发光机制，利用电荷补偿策略引入Na⁺/Zn²⁺调控局域对称性，最终采用365 nm芯片封装实现pc-LED器件。

结果与讨论

1. 结构表征：Rietveld精修证实Fe³⁺以间隙方式占据Te位点，长程有序的钙钛矿框架有效抑制浓度猝灭。
2. 光学特性：区别于常规Fe³⁺材料的紫外激发，CTO:Fe³⁺的Fe-O电荷转移带红移至350 nm以上，匹配商用NUV芯片。
3. 性能优化：Na⁺和Zn²⁺共掺杂分别使发光强度提升40.5%和45.3%，源于八面体畸变打破跃迁禁阻。
4. 器件验证：封装测试显示该荧光粉在生物成像领域具有显著应用潜力。

结论
该研究突破性地实现了Fe³⁺掺杂材料在近紫外区的有效激发，通过晶体场工程将NIR发光强度提升近50%。CTO:Fe³⁺兼具宽带发射（750-1200 nm）、高稳定性及无毒特性，其pc-LED器件在食品安全检测、医疗诊断等领域展现出重要应用价值。研究为开发非稀土NIR荧光材料提供了新思路，对推动固态照明技术发展具有里程碑意义。