Mn2+共掺杂MgAl2O4:Cr3+荧光粉的热稳定性增强与能量传递机制及其应用研究

针对深红光荧光粉在植物生长照明和全光谱白光LED中的关键需求，研究人员通过高温固相法制备了Mn2+/Cr3+共掺杂MgAl2O4荧光粉，揭示了Mn2+→Cr3+能量传递机制，实现了Cr3+在425K下95.5%的发光强度保持率，为高性能植物生长光源设计提供了新材料体系。

　　

在智能照明和精准农业快速发展的今天，深红色发光材料因其在植物光合作用调控和高质量全光谱照明中的独特作用成为研究热点。过渡金属离子Cr³⁺因其可调谐发光特性（650-1600nm）备受关注，但其热稳定性和量子效率仍是制约应用的瓶颈。尖晶石结构的MgAl₂O₄因其优异的物理化学稳定性成为理想基质，而Mn²⁺在该基质中的高效绿光发射为能量传递研究提供了新思路。

韩山师范学院的研究团队在《Optical Materials》发表的研究中，采用高温固相法在热碳还原气氛下制备了Mn²⁺/Cr³⁺共掺杂MgAl₂O₄荧光粉。通过XRD、光谱分析和变温测试等技术，系统研究了浓度依赖性和温度依赖性发光特性，证实了Mn²⁺→Cr³⁺的能量传递过程。

【材料合成】采用MgO、Al₂O₃等原料按化学计量比混合研磨，在还原气氛中高温烧结制备系列样品，通过精确控制Mn²⁺(0.03)和Cr³⁺(0.005)掺杂浓度优化性能。

【晶体结构】XRD证实所有样品均保持立方尖晶石结构（空间群Fd-3m），Mn²⁺/Cr³⁺掺杂未引起相变，Rietveld精修显示晶胞参数微小变化（a=8.083→8.086?）。

【发光特性】Mn²⁺单掺样品在523nm处呈现典型⁴T₁→⁶A₁跃迁的绿光发射，浓度猝灭临界距离R_c=16.14?，证实偶极-四极相互作用主导猝灭机制。Cr³⁺单掺样品则显示²E→⁴A₂跃迁的深红光发射（689nm）。

【能量传递】共掺样品中观察到Mn²⁺发射强度降低而Cr³⁺发射增强，证实存在共振型能量传递，传递效率最高达78.3%。理论计算表明该过程符合Dexter电子交换机制。

【热稳定性】Mn²⁺共掺杂使Cr³⁺在425K下保持95.5%的发光强度，较单掺样品提升23.7%，这归因于能量传递构建的"热缓冲"效应。双激发波长响应特性（400/460nm）进一步拓展了应用场景。

该研究通过精准调控Mn²⁺-Cr³⁺能量传递，实现了兼具高热稳定性和双模式激发的深红光荧光粉设计，其植物生长照明应用测试显示促进叶绿素合成效果显著。研究成果为发展新一代智能农业照明系统和全光谱健康光源提供了重要材料基础，同时为过渡金属离子能量传递理论提供了新案例。特别值得注意的是，该材料在高温下的卓越稳定性解决了传统荧光粉热猝灭的行业难题，相关技术已申请发明专利保护。