Cr3+/Ln3+共掺杂钛锗酸盐玻璃的近红外发光特性及其能量转移机制研究

研究人员针对Ln3+离子吸收弱、能量转移机制不明确的问题，开展Cr3+/Ln3+（Ln=Tm/Ho）共掺杂钛锗酸盐玻璃研究，发现Cr3+→Tm3+/Ho3+能量转移显著增强近红外发光（950-2200 nm），TiO2含量调控发光性能，为1.8-2 μm波段固态激光器提供新型材料基础。

　　

在光电材料领域，如何实现高效近红外（NIR）发光一直是研究者面临的挑战。稀土离子（Ln³⁺）虽具有丰富的能级结构，但其4f-4f跃迁的弱吸收特性严重限制了实际应用。传统解决方案依赖Yb³⁺共掺杂，但波长范围受限。过渡金属Cr³⁺因其宽吸收带（源于⁴A₂→⁴T₂/⁴T₁跃迁）成为理想敏化剂，但Cr³⁺/Tm³⁺、Cr³⁺/Ho³⁺体系的能量转移机制及宿主材料优化仍待探索。

西里西亚大学的研究团队在《Materials Research Bulletin》发表研究，通过熔融淬冷法制备了TiO₂含量梯度变化（0-50 mol%）的钛锗酸盐玻璃，系统考察了Cr³⁺/Tm³⁺、Cr³⁺/Ho³⁺共掺杂体系的发光特性。采用X射线衍射确认非晶态结构，通过激发/发射光谱、荧光寿命测试分析能量转移效率，并结合EPR证实Cr³⁺处于八面体强场环境。

玻璃表征
XRD证实所有样品均为非晶态，TiO₂未诱发结晶。吸收光谱显示Cr³⁺的典型宽吸收带（450-650 nm）与Tm³⁺（790 nm）、Ho³⁺（450 nm）的锐峰共存，为选择性激发奠定基础。

近红外发光特性
600 nm激发下，观察到Cr³⁺的~1200 nm宽带发射与Tm³⁺（³H₄→³F₄，1470 nm）、Ho³⁺（⁵I₆→⁵I₈，1180 nm）的特征峰，证实Cr³⁺→Ln³⁺能量转移。TiO₂含量增至30 mol%时，发光强度提升2倍，归因于TiO₂促进P–O–Ti键形成优化玻璃网络。

荧光衰减分析
Cr³⁺单掺样品荧光寿命为85 μs，共掺杂后降至52 μs（Tm³⁺）和48 μs（Ho³⁺），直接证明能量转移发生。效率计算显示Cr³⁺→Tm³⁺转移率达39%，高于Ho³⁺体系（32%）。

该研究首次阐明TiO₂调控钛锗酸盐玻璃中Cr³⁺-Ln³⁺能量转移的规律，开发的材料在1.8 μm（Tm³⁺）和2 μm（Ho³⁺）激光器、光合作用光转换器等领域具应用潜力。Wojciech A. Pisarski团队指出，通过组分优化可进一步提高量子效率，为下一代NIR发光材料设计提供新思路。