Cr3+和Al3+共掺杂对MgTa2O6自发与受激发光的协同调控机制及生物医学应用探索

针对近红外(NIR)发光材料在生物成像与固态照明中的效率瓶颈，研究人员通过固相反应法合成Al3+梯度掺杂的MgTa2O6:1mol%Cr3+材料。发现6mol%Al3+共掺杂可使材料带隙从4.34eV降至4.31eV，显著提升850nm处4T2-4A2跃迁强度，并揭示0.69-1.21eV深度的电子陷阱分布，为开发新型NIR持久发光材料提供新策略。

　　

在光电材料领域，近红外(NIR)发光材料因其在生物医学成像、夜间监控等领域的独特优势而备受关注。然而传统材料普遍存在发光效率低、组织穿透性差等瓶颈问题，特别是依赖紫外激发的持久发光(PersL)材料严重制约着深层组织成像应用。更棘手的是，大多数NIR材料难以兼顾宽带发射与长余辉特性，这就像试图让一盏灯同时具备高亮度与持久续航——看似矛盾的需求却正是临床应用的关键。

针对这一挑战，南非国家研究基金会(NRF)与根特大学Global Minds项目组合作，创新性地选择具有宽禁带(4.34eV)特性的钽镁氧化物(MgTa₂O₆)作为基质，通过Cr³⁺/Al³⁺离子共掺杂策略，成功开发出兼具高效NIR发射与可控陷阱能级的新型发光材料。这项发表于《Journal of Luminescence》的研究，不仅解决了传统材料激发波长与组织穿透性的矛盾，更通过精确调控晶体场环境，实现了发光性能的突破性提升。

研究团队采用固相反应法结合球磨工艺，在800℃下合成Al³⁺梯度掺杂(2-12mol%)的MgTa₂O₆:1mol%Cr³⁺系列样品。通过XRD确认样品为单一相结构，SEM/EDS表征元素分布，结合PL光谱、衰减曲线和热释光(TL)测试分析光学性能，并采用密度泛函理论(DFT)计算阐明能带结构变化机制。

【结果与讨论】

1. 结构表征：XRD图谱显示所有样品均保持纯相结构，Cr³⁺/Al³⁺掺杂未引起明显晶格畸变，但Rietveld精修发现晶胞参数微小变化，证实掺杂离子成功进入基质晶格。

2. 光学性能：PL光谱显示700-900nm宽带发射，峰值位于850nm，源自Cr³⁺的⁴T₂-⁴A₂跃迁。6mol%Al³⁺掺杂使发光强度提升约40%，衰减寿命达29.79±0.11μs。

3. 陷阱特性：TL分析揭示0.69±0.05eV、0.77±0.04eV和1.21±0.04eV三个电子陷阱能级，Al³⁺掺杂可优化陷阱分布，延长余辉时间。

4. 理论计算：DFT结果表明Cr³⁺在带隙中引入缺陷能级，Al³⁺则通过调整导带位置降低带隙至4.31eV，增强光子捕获效率。

这项研究的意义在于：首次阐明Al³⁺在MgTa₂O₆:Cr³⁺体系中的敏化机制，通过"能带工程+陷阱调控"双策略，实现材料光学性能的协同优化。所开发的材料在280nm激发下即可产生组织穿透性优异的NIR发射，避免了传统PersL材料需要短波激发的局限，为开发新一代生物兼容性发光探针奠定基础。特别值得注意的是，该材料在安全照明、防伪标记等领域的应用潜力已通过实验验证，其独特的"紫外激发-近红外发射"特性，有望突破现有生物成像技术的深度限制。正如研究者D.V. Mlotswa在文中强调的，这种离子共掺杂策略为设计多功能NIR材料提供了普适性方法学指导。