高效Ba?MgGe?O?:Mn??红色荧光粉，适用于光敏色素响应型LED器件以及具有定量对比分析功能的先进潜在指纹可视化技术

《Optical Materials》：High efficiency Ba 2MgGe 2O 7:Mn4+ red phosphors for phytochrome responsive LED applications and advanced latent fingerprint visualization with quantitative contrast analysis

植物生长光效与指纹检测新材料的开发及其应用

　　本研究成功合成了一个新的红光发射材料系列，即Ba?MgGe???O?:Mn??（简称BMGO:Mn??）磷光体。这些材料通过一种绿色的溶液燃烧法进行合成，其中使用了Moringa oleifera（香菜树）叶片提取物作为生物燃料。这一方法不仅环保，而且成本较低，为大规模生产提供了可行的路径。BMGO:Mn??材料在320 nm波长的激发下表现出强烈的红光发射，发射峰值位于662 nm处。这种红光发射特性来源于Mn??离子的自旋禁阻电子跃迁，即从2E?到?A?g的跃迁过程。这种自旋禁阻跃迁通常在光致发光过程中具有较低的效率，但通过材料的精心设计和合成工艺的优化，研究人员实现了高效的红光发射。

在所有研究的材料中，BMGO:5%Mn??样品表现出最佳的光致发光（PL）强度，其色纯度（CP）达到99.9%，相关色温（CCT）为6664 K，激活能（E?）为0.3495 eV。内部量子效率（I_QE）和外部量子效率（E_QE）分别达到了90.23%和39.39%。这些性能指标表明，BMGO:5%Mn??材料在光致发光方面具有显著优势，能够提供高质量的红光输出。当这种材料应用于365 nm近紫外发光二极管（n-UV LED）芯片上时，无论是红光发光二极管（r-LEDs）还是白光发光二极管（w-LEDs），都能发出与植物光敏色素吸收光谱高度匹配的强光。这种匹配使得植物在红光照射下表现出更好的生长状态，如更长的茎和更宽的叶片，显示出该材料在室内农业中的巨大潜力。

当前的农业面临诸多挑战，包括土地退化、土壤质量下降、淡水资源短缺以及气候变化带来的不确定性。这些因素都对作物的稳定生产构成了威胁。为应对这些问题，现代农业越来越多地采用室内种植系统，以实现全年无休的作物生产。室内种植系统通过精确控制关键的环境因素，如二氧化碳和氧气浓度、环境湿度、温度以及最重要的是光的强度和光谱质量，来优化植物的生长条件。光在植物生理过程中扮演着至关重要的角色，不仅影响光合作用，还参与植物形态的形成。因此，光谱的质量和强度直接决定了植物的产量和品质。

植物已经进化出高效的机制来吸收太阳光中的特定波长，主要是蓝光（400-500 nm）和红光（600-700 nm）区域，这些波长通过叶绿素a和b以及光敏色素（Pr和Pfr）等色素实现。红光在刺激植物茎的伸长、种子萌发和开花方面尤为重要，而蓝光则有助于增强与营养合成相关的光受体活性。因此，近年来的研究越来越关注如何通过定制红光和蓝光光谱来优化室内种植环境下的植物生长。在这一背景下，LED技术因其高能效、紧凑的设计、可定制的光谱输出以及环保特性，成为室内农业的首选照明技术。

在LED照明系统中，通常需要通过磷光体材料将LED芯片的发射光谱转换为适合光合作用的波长范围。高性能的磷光体对于提升光谱质量、色彩再现性和发射稳定性至关重要。然而，传统的磷光体材料往往存在一些局限性，例如在长时间使用过程中发射强度下降，以及在某些光谱区域的覆盖不足，这限制了它们在植物照明系统中的应用。因此，开发具有高发射强度和宽光谱覆盖的新材料成为当前研究的热点。

Mn??离子因其尖锐的发射线和可调节的光谱特性，在红光发射磷光体的研究中备受关注。Mn??离子在六配位环境中通常表现出如?A?g→?T?g、?A?g→2T?g以及?A?g→?T?g等激发跃迁，这些跃迁对应的吸收带位于近紫外和蓝光区域，而发射光谱则覆盖红光至近红外区域，与植物生长所需的光谱范围高度契合。然而，许多现有的Mn??基磷光体在高温下表现出热稳定性差和量子产率降低的问题，这限制了它们在实际应用中的性能表现。因此，开发具有高量子效率和热稳定性的Mn??激活磷光体成为材料科学领域的重要目标。

在通用照明领域，白光LED（w-LEDs）通常结合蓝光LED芯片与黄光或红光磷光体，以生成全光谱的白光。然而，商业化的w-LEDs往往在红光发射方面存在不足，无法满足植物光合作用所需的光谱条件。因此，通过Mn??掺杂磷光体来增强w-LEDs的红光输出，对于开发优化的植物生长照明系统具有重要意义。

BMGO作为一种双钙钛矿氧化物基质，以其低成本的合成方式、优异的化学稳定性以及较低的锗含量而受到关注。与其他类似的基质如SrGe?O?和A?Ge?O?（A = K, Rb）相比，BMGO具有更好的性能优势。尽管已有研究探索了BMGO作为基质材料掺杂Nb3?和Cr3?等离子的情况，但这些激活剂往往依赖于昂贵的稀土元素，限制了其商业化应用的可能性。而Mn??作为一种更常见的激活剂，其掺杂BMGO尚未被深入研究，这为开发新型高效的红光磷光体提供了广阔的前景。

除了在农业领域的应用，发光材料在法医学和刑侦科学中也展现出重要的潜力，尤其是在潜指纹（LFP）的可视化方面。指纹作为生物识别的重要工具，其独特性为身份识别提供了可靠依据。然而，潜指纹的形成往往依赖于表面残留物，需要高灵敏度的检测方法来揭示指纹的纹路特征。传统的LFP可视化方法，如粉末显影、染料染色和氰乙酸酯熏蒸等，通常存在对比度低、可能有毒以及检测灵敏度不足等问题。因此，研究开发具有高发射稳定性和对比度的环保型发光材料成为法医学领域的迫切需求。

Mn??掺杂的磷光体因其强光致发光特性和良好的安全性，被广泛认为是提升LFP可视化性能的潜在材料。BMGO:Mn??材料的引入可能为指纹检测系统带来更高的图像清晰度和稳定性，拓展其在生物识别和法医学领域的应用范围。此外，将先进的发光材料与数字识别系统相结合，可能进一步提升指纹识别的效率和准确性，尽管目前这类系统仍处于初步发展阶段。

本研究通过一种绿色、低成本的溶液燃烧法，使用Moringa oleifera叶片提取物作为天然燃料，成功合成了BMGO:Mn??磷光体系列（Mn??掺杂量为0-11 mol%）。对材料的光致发光特性、热行为以及量子效率进行了系统的分析。研究结果表明，BMGO:Mn??材料在红光LED和白光LED设备中具有良好的应用前景，特别是在植物生长和指纹检测领域。该材料的高发射强度、优异的色纯度和稳定的光谱特性，使其成为一种理想的植物照明材料。同时，其在指纹检测中的高对比度和良好的光谱匹配，也为法医学提供了新的解决方案。

通过实验，研究人员验证了BMGO:5%Mn??材料在植物生长中的实际效果。在红光LED照射下，香菜植物的茎长和叶宽显著增加，显示出该材料在室内农业中的应用潜力。此外，该材料在指纹检测中的表现也令人满意，能够在多种基底上提供清晰的指纹图像。为了进一步提升指纹检测的准确性，研究人员引入了一种新型的荧光对比度量化技术，该技术结合了光致发光光谱的强度和颜色指数，能够在不同荧光背景和结构图案的基底上有效检测指纹，显示出更高的检测灵敏度、准确性和分辨率。

综上所述，BMGO:Mn??磷光体不仅在农业照明领域展现出广阔的应用前景，同时在法医学中的指纹检测方面也具有重要价值。该材料的开发为实现可持续农业和先进的生物识别技术提供了新的可能性。未来的研究可以进一步优化其性能，探索其在更广泛领域的应用，如生物成像、环境监测和安全检测等。此外，材料的商业化和大规模生产也是需要关注的重要方向，以确保其在实际应用中的可行性和经济性。