缺陷工程调控的Ca9MgK(VO4)7:Sm3+荧光粉：面向高灵敏度光学测温与植物照明的负热猝灭材料设计

针对荧光材料热猝灭（TQ）难题，研究人员通过缺陷工程开发了Ca9MgK(VO4)7:Sm3+（CMKV:Sm3+）荧光粉，首次实现Sm3+在320-370 nm激发下的负热猝灭（NTQ）与VO43-宿主发射的TQ协同效应。该材料兼具自校准光学测温（Sa=0.189 K-1）和热致变色特性，并在406 nm激发下展现96%@425 K的优异热稳定性，其红光发射光谱与植物光敏色素吸收高度匹配，为农业照明与精密测温提供新策略。

　　

论文解读

在光学材料领域，热猝灭（Thermal Quenching, TQ）现象长期制约着荧光材料的实际应用。传统荧光材料在高温或高功率环境下会出现发光效率骤降，这直接限制了其在LED照明、光学测温等场景的可靠性。更棘手的是，植物工厂亟需能匹配光敏色素吸收光谱（550-750 nm）且耐高温的红光荧光材料，而现有Mn⁴⁺/Eu³⁺体系普遍存在热稳定性差、光谱匹配度低等问题。面对这些挑战，研究人员将目光投向具有独特4f电子构型的Sm³⁺离子——其⁴G_5/2→⁶H_7/2,9/2跃迁能产生理想的红光发射，但如何克服其热猝灭瓶颈成为关键突破口。

为破解这一难题，国内某研究机构团队创新性地设计出Ca₉MgK(VO₄)₇:Sm³⁺（CMKV:Sm³⁺）荧光材料。这项发表于《Materials Research Bulletin》的研究通过缺陷工程策略，首次在该体系中实现Sm³⁺的负热猝灭（Negative Thermal Quenching, NTQ）效应，并同步开发出兼具高灵敏度温度传感与植物生长照明功能的双用途材料。

关键技术方法

研究采用高温固相法合成CMKV:Sm³⁺系列样品，通过X射线衍射（XRD）和Rietveld精修确认晶体结构，结合扫描电镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）表征形貌与元素价态。利用荧光光谱仪测试变温光致发光（PL）特性，通过荧光寿命衰减曲线解析VO₄^3-→Sm³⁺能量转移（ET）机制，最后封装406 nm激发的LED器件验证农业照明应用潜力。

研究结果

3.1 晶体结构与缺陷调控
Rietveld精修证实材料属于R-3c空间群，Sm³⁺优先取代Ca²⁺位点引发晶格收缩。Li⁺共掺杂实验揭示Sm³⁺的NTQ行为源于Ca²⁺空位缺陷（V_Ca^″）的热激活电子释放过程。

3.3 双发射中心特性
在322 nm激发下，材料同时呈现VO₄^3-的宽带绿光发射（514 nm）和Sm³⁺的特征橙红光发射（648 nm），Sm³⁺浓度增至0.03时发生浓度猝灭。

3.5 负热猝灭机制
升温至375 K前，VO₄^3-→Sm³⁺能量转移主导NTQ效应；高于375 K时，缺陷态电子热激活成为维持Sm³⁺发光的关键，使其在475 K仍保持强度增长。

3.7 光学测温性能
基于I₆₄₈/I₅₁₄荧光强度比（FIR）的温度传感模型展现超高灵敏度（S_r=2.73% K^-1@450 K），温度分辨率δ_T<0.015 K。

3.9 农业照明应用
406 nm激发下，CMKV:0.05Sm³⁺在423 K仍保持95.99%发光强度，其LED器件发射光谱与植物光敏色素（P_R/P_FR）吸收谱重叠率达75%。

结论与意义

该研究通过精准的缺陷工程，在单一基质中实现VO₄^3-（TQ）与Sm³⁺（NTQ）的逆向热响应，不仅为高灵敏度光学测温提供新思路（最大S_a达0.189 K^-1），其热致变色特性（ΔE=179×10^-3）更实现了温度可视化判读。在农业照明领域，材料优异的红光热稳定性（96%@425 K）和光谱匹配性突破了现有Mn⁴⁺基材料的局限，为植物工厂光源设计提供理想选择。这项工作为多功能荧光材料的开发树立了新范式，相关成果对推动精密光学传感与现代农业技术的发展具有重要意义。