高效热稳定近红外发光荧光粉(Lu3Ga5O12:Cr3+)的多功能应用研究及其在生物医学与植物生长领域的创新突破

本文报道了一种新型Cr3+掺杂Lu3Ga5O12近红外发光材料，其具备89.5%的量子效率和反常热增强特性（107.95%@440?K）。通过构建Cr3+→Ln3+能量转移通道，成功将发射光谱拓展至NIR-II区（900-1650?nm），在植物光照调控、生物组织运动监测（Mechanoluminescence, ML）和无创溶液成分检测等领域展现突破性应用潜力。

　　

Highlight

本研究成功开发出具有超高发光效率（89.5%）和反常热增强特性（107.95%@440?K）的铬掺杂镓酸镥荧光材料。通过构建从Cr³⁺到Nd³⁺/Er³⁺的高效能量转移路径（效率分别达90%和59%），成功将发射光谱拓展至NIR-II区（900-1650?nm）。该材料在植物光照调控、生物组织运动监测（机械发光, ML）和无创溶液成分检测等领域展现出突破性应用价值。

Section snippets

Synthesis of phosphors

采用高温固相法合成了一系列荧光材料：Lu₃Ga_5-xO₁₂:xCr³⁺（LGG:xCr³⁺）、Lu_2.88Ga₅O₁₂:0.12Er³⁺（LGG:Er³⁺）、Lu_2.99Ga₅O₁₂:0.01Nd³⁺（LGG:Nd³⁺）及其共掺杂体系。所有原料（氧化镥、氧化镓、氧化铬等，纯度均达99.99%）按化学计量比称量后，经研磨混合并在特定气氛下进行高温烧结，最终获得目标荧光粉体。

Characterization and structural identification

Lu₃Ga₅O₁₂具有经典石榴石结构，其中Ga原子与氧形成八面体和四面体配位（图1a），通过共角连接构建三维网络框架。Lu³⁺离子作为间隙原子占据十二面体位点。这种复杂有序的结构成为材料功能多样性的基础。通过X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）等表征手段，证实了所得材料具有纯相结构和良好的结晶性。

Conclusions

总而言之，我们开发出一种具有高发光效率（达89.5%）的铬掺杂镓酸镥基多功能近红外荧光材料。基于其反常热淬灭特性（107.95%@440?K），采用蓝色芯片制备出可高效调控植物生长节律的NIR pc-LED器件。此外，在LGG:Cr³⁺荧光粉中观测到显著的近红外机械发光（ML）效应，这归因于应力作用下陷阱电子释放产生的辐射跃迁。通过Cr³⁺→Ln³⁺能量转移策略成功将发射拓展至NIR-II区，为夜视照明和无创检测提供了创新解决方案。