亚晶格笼限域工程实现近红外Cr3+–Ln3+共掺杂荧光粉的超高效能量转移与生物成像应用

研究人员通过亚晶格笼限域工程策略，成功设计出GdAl1.5Ga1.5(BO3)4基质荧光材料，解决了Cr3+–Ln3+能量迁移精确调控的难题。该结构将Ln3+限域于Gd3+位点，Cr3+置于Al/GaO6八面体，实现3.67 ?的最短能量传递距离与61–82%的高效能量转移效率（ηETE）。所得荧光粉量子产率达86%，热稳定性优异（423K下保持94%强度），并成功应用于127 mW高功率NIR pc-LED器件，为生物成像与非破坏性检测提供新技术路径。

　　

科学家们开发了一种创新的亚晶格笼限域工程策略，成功制备出超高效近红外（Near-Infrared, NIR）Cr³⁺–Ln³⁺（Ln = Yb, Nd, Er）共掺杂荧光材料。该研究通过GdAl_1.5Ga_1.5(BO₃)₄的双层笼状结构，将镧系离子（Lanthanide ions, Ln³⁺）精准限域在Gd³⁺位点，同时为铬离子（Cr³⁺）提供八面体晶格取代位点。这种空间约束巧妙地将Cr³⁺–Ln³⁺间距优化至3.67 ?，并将Ln³⁺–Ln³⁺距离拉大到5.92 ?，从而显著提升能量转移效率（Energy Transfer Efficiency, η_ETE）（Yb³⁺: 61%, Nd³⁺: 82%, Er³⁺: 46%），同时抑制相邻镧系离子间的能量损耗。最终，Cr³⁺–Yb³⁺共掺杂体系实现86%的光致发光量子产率（Photoluminescence Quantum Yield, PLQY），并在423K高温下仍保持94%的发射强度，展现出卓越的热稳定性。基于该材料构建的NIR荧光粉转换发光二极管（pc-LED）在300 mA驱动电流下输出127 mW NIR光功率，光电效率达13%。这项技术成功应用于高对比度生物成像（如静脉可视化）及非破坏性检测领域，为近红外光学器件设计与生物医学应用提供了新范式。