馬子婷, 張先哲, 戴鵬鵬, 沈麗娜
(新疆師范大學 物理與電子工程學院, 新疆發(fā)光礦物與光功能材料研究自治區(qū)重點實驗室, 新疆 烏魯木齊 830054)
近紅外光譜分析是一種高效、無損的分析技術,廣泛應用于夜視照明、植物生長和生物成像等領域。為了滿足實時監(jiān)測、快速分析和方便攜帶的應用需求,開發(fā)體積小、重量輕的智能近紅外光源成為當前的研究熱點[1-6]。然而,傳統(tǒng)的鹵鎢燈、紅外激光器和近紅外發(fā)光二極管(NIR LED)等NIR 光源存在體積大、發(fā)光效率低、壽命短、半高寬(FWHM)較窄等問題[7-9],已不能滿足多樣化的應用需求。相比之下,由近紅外熒光粉與藍光LED 芯片構成的NIR pc-LED, 具有體積小、壽命長、光譜可調節(jié)、成本低等優(yōu)點,逐漸成為人們研究的焦點。近紅外熒光粉作為NIR pc-LED 器件的關鍵組成部分之一,直接決定了器件的發(fā)光效率、光譜等性能。一般來說,近紅外熒光粉發(fā)射譜帶越寬, 則從NIR pc-LED 所得到的光譜信息就越多[10-11]。然而,能夠有效被可見光,尤其是藍光激發(fā)的寬帶近紅外熒光粉的研究剛剛起步,種類匱乏。因此,探索寬帶發(fā)射且能被藍光有效激發(fā)的近紅外熒光粉是NIR pc-LED 應用發(fā)展的迫切需求。
常見的近紅外激活離子有稀土離子(Eu2+、Pr3+、Sm3+、Nd3+、Yb3+)和過渡金屬離子(Mn2+/4+、Ni2+、Cr3+)。稀土離子大多具有窄帶發(fā)射的特點,Eu2+雖能實現寬帶發(fā)射,但發(fā)光效率較低、波長較短,不能滿足生物檢測等方面的應用需求。過渡金屬離子Mn2+/4+發(fā)射波長短,Ni2+發(fā)光效率較低,而Cr3+因其高量子效率、超寬的發(fā)射帶 (600~1 300 nm)以及可被藍光LED 有效激發(fā)等優(yōu)異特性,在發(fā)光學術界和照明產業(yè)界受到廣泛關注[12]。多格位占據策略被認為是實現Cr3+激活寬帶近紅外發(fā)射熒光粉的有效方法之一。例如,Liu 等成功開發(fā)了一種具有雙發(fā)光中心的超寬帶 (FWHM 為330 nm)近紅外熒光粉La3Ga5GeO14∶Cr3+[13]。Sun 等利用三個Cr3+的光譜疊加設計了一種超寬帶(FWHM 為275 nm)近紅外熒光粉La3Ga5TiO14∶Cr3+[14]。Wang等利用四個Cr3+構建了一種新型寬帶(FWHM 為244 nm)近紅外熒光粉Mg3Ga2GeO8∶Cr3+[15]。然而,過多的Cr3+發(fā)光中心會引發(fā)不同的熱發(fā)射衰減行為以及有害的非輻射交叉弛豫,從而導致近紅外光譜的不穩(wěn)定性和不理想的發(fā)射位置[16-19]。相比之下,單格位Cr3+發(fā)光中心激活的近紅外熒光粉可以避免上述問題[19]。因此,通過單格位占據策略開發(fā)具有寬帶發(fā)射和光譜穩(wěn)定的近紅外熒光粉極具吸引力。
前期研究表明,焦磷酸鹽具有較低的合成溫度,容易制備,化學穩(wěn)定性好,常被作為基質材料[20-22]。單斜晶系焦磷酸鹽AMP2O7(A= Na, K,Rb;M= Ga, Sc, In)具有單一的[AO6]八面體單元,其中M3+離子被[P2O7]二聚體基團很好地隔離,這使得各八面體顯著分離,從而為Cr3+提供單一配位環(huán)境[23]。基于此,我們認為焦磷酸鹽家族中的KScP2O7(KSP)化合物是單格位占據寬帶近紅外熒光粉的合適基質候選者之一。本文通過高溫固相法制備了一種具有單一Cr3+發(fā)光中心的寬帶近紅外熒光粉KSc1-xP2O7∶xCr3+(x= 0.01~0.09);然后對其晶體結構、發(fā)光性能、熱穩(wěn)定性進行研究和分析,并對可能的熱猝滅機理進行探討;最后制備了相應的NIR pc-LED 器件,證實其在夜視、生物醫(yī)學成像以及食品檢測領域的應用潛力。
本文通過高溫固相法,以K2CO3(99.9%)、Sc2O3(99.9%)、NH4H2PO4(99.9%)、Cr2O3(99.9%)作為原材料合成KScP2O7∶Cr3+熒光粉。首先,按照KSP∶Cr3+的化學計量比稱取以上原料,并倒入經無水乙醇消毒過的瑪瑙研缽中。然后,用研缽棒攪拌25 min,確保各個原材料充分混合均勻后,將混合物倒入氧化鋁坩堝中。隨后放入馬弗爐中在 1 100 ℃下煅燒6 h,并冷卻樣品至室溫,以備后續(xù)表征測試。
使用日本島津XRD-700 型粉末衍射儀進行物相鑒定和結構分析。X 射線光源為單色器過濾的Cu-Kα1 射線(波長λ=0.154 06 nm),工作電壓為40 kV,工作電流為30 mA,掃描范圍15°~60°,掃描速度為5(°)/min。使用配有變溫附件(富士電氣PXF4)的英國愛丁堡穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀(FLS920)測量樣品的光致發(fā)射(PL)光譜、激發(fā)(PLE)光譜和變溫發(fā)光光譜(300 ~ 473 K),激發(fā)光源為450 W 氙燈 (UshioUXL-500D)。漫反射光譜由日本島津公司紫外-可見-近紅外分光光度計(Shimadzu, UV-3900 plus) 采集,其中以BaSO4為反射標準進行校準。使用愛丁堡FLS920 熒光溫度控制裝置(CS202-SE Cryo, Edinburgh, England)和加熱裝置(Fuji Electric, PXF4),在5~300 K 范圍內收集溫度相關的PL/PLE 光譜。內部量子產率(IQE)采用絕對量子產率測量系統(tǒng)(Quantaurus-QY Plus, C13534-12, Hamamatsu Photonics)進行測量。
將型號分別為OE-6650A 和OE-6650B 兩種環(huán)氧樹脂(道康寧品牌)按照1∶2 的比例混合均勻,再將制備的近紅外熒光粉KSP∶0.03Cr3+與混合后的環(huán)氧樹脂充分攪拌混合均勻。將粉膠混合物涂覆在藍色LED 芯片(450 nm)上,并置于150 ℃的加熱臺上烘干,使粉膠混合物完全與芯片固化??梢姽夂徒t外圖像分別由iphone12 手機和近紅外相機拍攝,近紅外相機的檢測范圍為700~1 100 nm(深圳中衛(wèi)奧科科技有限公司) 。除非另有說明,所有測試均在室溫下完成。
圖1 (a)為KScP2O7的晶體結構圖。焦磷酸鹽KSP 基質屬于單斜晶系,空間群為P21/c。KScP2O7樣品的晶格常數為ɑ= 0.746 34 nm,b= 1.039 02 nm,c= 0.837 47 nm,α=γ= 90°,β= 106.49°,晶胞體積V= 0.622 71 nm3。在該晶體中,每個Sc3+與6 個氧原子配位形成[ScO6]八面體;每個P5+與4個O 原子配位形成[PO4]四面體。相鄰的兩個PO4通過一個O 原子連接形成[P2O7]單元,[P2O7]與[ScO6]連接構成該基質最基本的結構[ScP2O7],K原子位于基本結構[ScP2O7]的軌道縫隙當中[24]??紤]到Cr3+(r= 0.062 nm,配位數CN = 6)和Sc3+(r= 0.075 nm,配位數CN = 6)具有相同的價態(tài)且離子半徑非常接近,并且鑒于Cr3+最有可能占據六配位八面體格位,在KSP 晶體中恰好僅存在一個具有八面體配位的Sc3+晶體學格位[ScO6],因此,我們推測Cr3+占據KSP 晶體中的[ScO6]八面體格位,并產生寬帶近紅外發(fā)射。通常情況下可以用相對離子半徑Δr來評估摻雜離子能否成功摻雜到基質中,可以用公式(1)計算:
圖1 (a)KScP2O7的晶體結構; KSP∶xCr3+(x = 0.01~0.09)樣品的XRD 圖譜(b)和放大的XRD 圖譜(c);(d)隨著Cr3+濃度增加樣品晶格常數(ɑ、b、c)的變化。Fig.1 (a)Crystal structure of KScP2O7. XRD patterns(b) and magnified XRD patterns(c) of KSP∶xCr3+(x = 0.01-0.09) samples. (d)The calculated cell parameters(ɑ, b, c) as a function of Cr3+ concentration.
其中r1和r2 分別代表基質中被替換離子的半徑和摻雜離子的半徑。KSP∶Cr3+的Δr為17.4%,表明Cr3+可以占據Sc3+的格位。
圖1(b)為基質KSP 中摻雜不同Cr3+濃度時的XRD 圖譜,所有樣品的衍射峰與標準卡片匹配較好,表明我們合成了純相化合物。圖1(c)展示了KSP∶xCr3+(x= 0.01~0.09)樣品在29.5°~30°的放大XRD 圖譜,可以觀察到隨著Cr3+濃度的增加,衍射峰的位置逐漸向高角度方向移動,并伴隨著FWHM 展寬。這是由于半徑較小的Cr3+(r= 0.062 nm,CN = 6)占據了半徑較大的Sc3+(r= 0.075 nm,CN = 6)格位,導致晶胞收縮,該結果表明Cr3+成功地摻雜到KSP 基質中。此外,通過計算樣品的晶格常數(ɑ、b、c)值(圖1(d)),發(fā)現隨著Cr3+濃度增加,晶格常數(ɑ、b、c)呈單調遞減趨勢,這說明摻雜Cr3+導致晶胞收縮和輕微畸變,進一步證實了Cr3+成功地摻雜到基質中。
KSP∶xCr3+(x= 0~0.09)的漫反射光譜如圖2(a)所示,當x= 0 時,可以看到KSP 基質在可見光區(qū)域沒有明顯的吸收。當Cr3+摻雜到基質中時,在315,471,688 nm 處明顯觀察到Cr3+的三個吸收帶,分別歸因于自旋允許的4A2→4T1(4P)、4A2→4T1(4F)和4A2→4T2(4F)躍遷[25],同時也反映出KSP∶Cr3+熒光粉可以被藍光有效激發(fā)。使用Kubelka-Munk 方程[26]估算材料的光學帶隙(Eg) :
圖2 (a)KSP∶xCr3+(x = 0.01~0.09) 樣品的漫反射光譜; (b)基質KSP 樣品(插圖)與KSP∶0.03Cr3+樣品的光學帶隙值。Fig.2 (a)Diffuse reflectance spectra of KSP∶xCr3+(x = 0.01-0.09) phosphors. (b)The optical band gap of KSP sample and KSP∶0.03Cr3+ sample.
其中,hν是光子能量,A和F(R)分別代表吸收常數和吸收系數,R代表反射率系數,Eg是所計算的光學帶隙。圖2(b)給出了KSP∶0.03Cr3+熒光粉及其基質KSP 的[F(R)hν]2與hν的關系圖,通過計算擬合得到該熒光粉基質的光學帶隙為5.48 eV,相對較寬的光學帶隙為Cr3+的引入提供了有利的環(huán)境。KSP∶0.03Cr3+的光學帶隙為4.78 eV, 較大的帶隙意味著較好的熱穩(wěn)定性。
圖3 (a)為KSP∶xCr3+(x= 0.01~0.09)系列熒光粉的濃度依賴PL 光譜。結果顯示該熒光粉在471 nm 激發(fā)下,呈現700~1 200 nm 范圍內的寬帶近紅外發(fā)射。圖3(a)插圖顯示,不同濃度下KSP∶xCr3+(x= 0.01~0.09)熒光粉的發(fā)光強度隨Cr3+濃度的增加逐漸增大,在x= 0.03 處達到最大值,隨后由于濃度猝滅,發(fā)射強度逐漸減小。最優(yōu)濃度時,KSP∶0.03Cr3+熒光粉的峰值波長為857 nm,半高寬為149 nm。通常,濃度猝滅可以通過三種機制產生,即輻射吸收作用、離子間交換相互作用和多極相互作用[27]。不同類型的相互作用取決于激活劑臨界距離Rc[28]:
圖3 (a)KSP∶xCr3+(x = 0.01~0.09) 的發(fā)射光譜,插圖為摻雜不同Cr3+濃度時的發(fā)光強度變化;(b)KSP∶xCr3+(x = 0.01~0.09)的lgx 與lg(I/x) 的擬合曲線;(c)Cr3+在KSP 中的Tanabe-Sugano 能級圖;(d)KSP∶0.03Cr3+的激發(fā)和發(fā)射光譜。Fig.3 (a)PL spectra of KSP∶0.03Cr3+ phosphors. The inset shows PL intensity as a function of Cr3+ concentration.(b)Fitting curve of lgx and lg(I/x) of KSP∶xCr3+(x = 0.01-0.09). (c)Tanabe-Sugano energy level diagram of Cr3+ in KSP. (d)PL and PLE spectra of KSP∶0.03Cr3+ phosphors.
其中,V代表晶胞體積,x表示最佳摻雜濃度,N是單位晶胞內能被Cr3+離子占據的陽離子格位數。當熒光粉的發(fā)射光譜和激發(fā)光譜大范圍重疊時,會發(fā)生輻射吸收作用。當Rc的值大于0.5 nm 時,濃度猝滅屬于多級相互作用。當Rc的值小于0.5 nm 時,則屬于離子間交換相互作用。為了進一步探究該樣品的濃度猝滅機理,根據公式(4)計算得到其臨近距離Rc= 2.148 nm,表明該濃度猝滅屬于多級相互作用。需要根據Dexter 的理論[27](公式 (5)) 對多極相互作用的類型進行進一步確認:
其中x是摻雜濃度,I表示與之相對應的發(fā)光強度,K和β都是常數。為了更好地觀察Cr3+濃度與發(fā)光強度的關系,將公式(5)轉換成公式(6)。當θ= 3 時,表示該猝滅是由于相鄰的Cr3+之間能量傳遞引起的。當θ= 6,8,10 時,表示該猝滅源于偶極-偶極相互作用、偶極-四極相互作用和四極-四極相互作用[27]。根據公式(6),該樣品lgx和lg(I/x) 的線性擬合關系如圖3(b)所示,其斜率為-0.971 1,由此可計算得出θ= 2.913 3 ≈ 3。綜上所述,可知該熒光粉的濃度猝滅主要是由于相鄰Cr3+-Cr3+之間的能量傳遞引起的。
眾所周知,Cr3+離子的3d 軌道電子不受外層殼及其周圍環(huán)境的屏蔽,因此Cr3+的光致發(fā)光對主晶格的晶體場環(huán)境極為敏感[29]。當Cr3+占據八面體位置(Oh點群)時,可以用Tanabe-Sugano 圖(圖3(c))來描述其能級隨晶體場強度變化的情況,具體計算過程如下[1]:
其中,ΔE表示E(4A2→4T1)和E(4A2→4T2)兩個能級之間的能量差。Stokes 位移(ΔS)由光譜數據中激發(fā)波段對應的E(4A2→4T2)峰位置與發(fā)射光譜中對應的E(4T2→4A2)峰位置相減得到。Dq是晶體場參數,B代表Racah 參數,Dq/B的值對晶體場有很大影響,并且影響Cr3+的發(fā)射帶寬。當Dq/B<2.3 時,Cr3+的4T2→4A2躍遷占主導地位,Cr3+占據弱晶體場,呈現寬帶發(fā)射。相反,當Dq/B> 2.3時,Cr3+占據強晶體場,表現出一個對應于2E→4A2的窄帶發(fā)射[30]。根據上述理論計算得知KSP∶0.03Cr3+樣品的Dq和B的值分別為1 335 cm-1和674 cm-1,因此Dq/B值為1.98,小于2.3,表明Cr3+在KSP 基質中占據具有弱晶體場的Sc3+格位,這與該樣品室溫下寬帶發(fā)射的特征相吻合。
熒光粉的發(fā)光熱猝滅性能是判斷其能否應用的重要指標之一[32]。圖4(a)展示了KSP∶0.03Cr3+熒光粉在300~425 K 溫度范圍內的變溫發(fā)射光譜。在471 nm 激發(fā)下,隨著溫度升高,樣品的積分發(fā)光強度逐漸減小,而光譜的譜型幾乎無明顯變化。在373 K 時,KSP∶0.03Cr3+的發(fā)射強度降低至室溫發(fā)光強度的60.2%,表明該熒光粉具有良好的熱穩(wěn)定性。同時,溫度升高伴隨著熱展寬現象,其FWHM 從室溫時的149 nm 展寬至高溫373 K 時的173 nm(圖4(b)),這一現象歸因于高溫下增強的電聲子耦合效應。
圖4 KSP∶0.03Cr3+熒光粉(λex = 471 nm)在300~425 K 隨溫度變化的發(fā)射光譜(a)及溫度在300~425 K 升溫過程中積分強度和半高寬的變(b); (c)Cr3+離子的位形坐標圖; (d)KSP∶0.03Cr3+的ln(I0/IT-1)和1/kT 關系圖。Fig.4 Temperature-dependent PL spectra(a) of KSP∶0.03Cr3+ sample from 300 K to 425 K and the corresponding variations in integrated intensity and FWHM(b). (c)Schematic configuration coordinates diagram of KSP∶0.03Cr3+. (d)Illustration of ln(I0/IT-1) related to 1/kT of KSP∶0.03Cr3+.
接下來我們用位形坐標模型(圖4(c))解釋發(fā)光熱猝滅現象[33]。當處于4A2能級的電子受光激勵時,會躍遷到4T2能級,部分電子從4T2能級底部躍遷回到4A2能級并發(fā)射近紅外光;另一部分電子在熱激勵下躍遷至4T2與4A2能級的交叉點,通過無輻射躍遷回到低振動能級4A2。 因此,熱猝滅活化能 (ΔE) 越大,需要克服的勢壘也越大,則發(fā)生無輻射躍遷的幾率越小,從而導致熱猝滅現象不容易發(fā)生,這意味著材料具有更好的熱穩(wěn)定性。據報道,熒光粉發(fā)光強度與溫度的關系可通過Arrhenius 方程(公式11)來描述,可以利用該方程估算熱猝滅活化能ΔE[34]:
其中IT為溫度為T(K) 時的發(fā)射強度;I0為初始發(fā)射強度;kB為玻爾茲曼常數;A為常數;ΔE為熱猝滅活化能,表示電子從4T2能級最低點到達4T2與4A2能級交叉點需要克服的勢壘。根據公式(12)擬合KSP∶0.03Cr3+樣品的ln(I0/IT-1)和1/kT關系如圖4(d)所示,斜率即代表-ΔE,由此計算得到該熒光粉的ΔE= 0.34 eV。當x= 0.03 時,KSP∶0.03Cr3+熒光粉的內部量子效率(IQE) 為28.42%。
為了探究KSP∶0.03Cr3+熒光粉寬帶發(fā)射的來源,我們測試了5~300 K 的低溫發(fā)射光譜,如圖5(a)所示。隨著溫度升高,由于電聲子耦合作用增強,發(fā)射強度逐漸減弱,FWHM 值從5 K 時的110 nm 不斷增到300 K 時的149 nm(圖5(b))。值得注意的是,發(fā)射光譜的譜型與溫度變化無關,這表明在KSP 中只存在一個Cr3+發(fā)光中心。為了進一步驗證這一結論,我們在~5 K 時測試了其依賴于發(fā)射波長的激發(fā)光譜,如圖5(c)所示。在不同發(fā)射波長監(jiān)測下,KSP∶0.03Cr3+熒光粉的激發(fā)光譜幾乎相同。上述結果表明PL 和PLE 光譜都獨立于溫度,熒光粉具有良好的光譜穩(wěn)定性。這進一步證明了該寬帶近紅外發(fā)射源于KSP∶0.03Cr3+熒光粉中Cr3+占據單一Sc3+格位[35]。
圖5 (a)KSP∶0.03Cr3+熒光粉(λex = 471 nm)在5~300 K 隨溫度變化的發(fā)射光譜;(b)KSP∶0.03Cr3+熒光粉在5 K 和300 K 時的歸一化發(fā)射光譜比較;(c)在5 K 時依賴于發(fā)射波長的激發(fā)光譜(λem = 826,857,950 nm)。Fig.5 (a)Temperature-dependent emission spectra of KSP∶0.03Cr3+ phosphor(λex = 471 nm) from 5 K to 300 K.(b)The comparison of PL spectra of KSP∶0.03Cr3+phosphor recorded at 5 K and 300 K. (c)At 5 K emission wavelength-dependent.
為了進一步探究所制備近紅外熒光粉的應用潛力,我們將KSP∶0.03Cr3+熒光粉涂在商用藍光LED 芯片上制備出NIR pc-LED 器件。圖6 (b) 顯示了該設備接通電源時使用近紅外相機拍攝的照片,可以觀察到非常強烈的近紅外光信號,插圖展示了未接通電源時器件的實物圖。首先,按照如圖6 (a) 所示順序擺放近紅外相機、手掌和器件。得益于所制備近紅外熒光粉發(fā)射光波具有強大的穿透力,利用不同生物組織對近紅外光的吸收差異性[36],可以清晰地觀察到手指和手掌血管的分布情況(圖6(c))。其次,我們用700 nm 濾波片覆蓋獼猴桃的下半部分,在可見光相機拍攝的圖片 (圖6(d))中無法看到被遮擋的部分。然而,當使用制備的NIR pc-LED 作為光源時,用近紅外相機拍攝的圖片(圖6(e))可以清晰地顯示整個獼猴桃。最后,相比于自然光照射下可見光相機拍攝的梨(圖6(f)),在制備器件照射下近紅外相機拍攝的照片中,可以直觀地檢測到梨子不新鮮的部位(圖6(g))。上述實驗結果表明,我們所制備的近紅外熒光粉KSP∶Cr3+性能優(yōu)良,在夜視、生物醫(yī)學成像以及食品檢測等領域具有良好的潛在應用價值。
圖6 (a)生物穿透應用拍攝位置擺放示意圖;(b)近紅外相機拍攝工作狀態(tài)下的NIR pc-LED 器件照片,插圖為該器件的實物圖;(c)NIR pc-LED 器件照射下手掌的照片;使用可見光相機((d)~(f))和近紅外照相機((e)~(g))分別拍攝自然光/近紅外器件照射下的獼猴桃和梨的照片。Fig.6 (a)The map of the shooting position placement for biological penetration application. (b)The pictures of NIR pc-LED device in the working state captured by a NIR camera, with the image of the NIR pc-LED device shown as an inset. (c)Photographs of the palm illuminated by the NIR pc-LED device. A visible light camera((d)~(f)) and a NIR camera((e)~(g)) were used to capture images of a kiwifruit and pear under natural light/near infrared device irradiation.
本文以具有[ScO6]八面體結構的KSP 化合物作為基質材料,采用高溫固相法成功制備了一系列單格位占據近紅外熒光粉KSc1-xP2O7∶xCr3+(x=0.01~0.09),該熒光粉的晶體結構和熒光光譜分析結果顯示,Cr3+被成功摻雜到基質晶格當中,在471 nm 的藍光激發(fā)下,該熒光粉具有700~1 200 nm 的寬帶近紅外發(fā)射,發(fā)射主峰位于857 nm,半高寬為149 nm,最高發(fā)光量子產率為28.42%。通過低溫光譜分析和晶體場強度計算證實了這種寬帶近紅外發(fā)射歸因于Cr3+占據弱晶體場(Dq/B=1.98)中的單一八面體Sc3+格位。變溫光譜分析結果顯示,在高溫373 K 時,其發(fā)光強度達到室溫下發(fā)光強度的60.2%,表明該熒光粉具有良好的熱穩(wěn)定性。最后,由該熒光粉與商用藍光LED 芯片制備的NIR pc-LED 器件具有良好性能,證明該單格位占據的寬帶近紅外熒光粉KSP∶0.03Cr3+在夜視、生物醫(yī)學成像以及食品檢測領域具有潛在應用價值。
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