Verbesserung der Lumineszenzeffizienz und thermischen Stabilität von NIR-emittierenden Leuchtstoffen

Nahinfrarot (NIR) emittierende phosphorkonvertierte Leuchtdioden (PC-LEDs) haben in aufstrebenden Technologiebereichen wie Nachtsicht und Bio-Bildgebung Aufmerksamkeit erregt. Derzeit stößt die Entwicklung NIR-emittierender PC-LEDs auf einen Engpass, da es an durch blaues Licht anregbaren Hochleistungs-NIR-emittierenden Leuchtstoffmaterialien mangelt.

Obwohl Cr3+-aktivierte Leuchtstoffe unter zahlreichen NIR-emittierenden Leuchtstoffen hervorstechen und in jüngster Zeit Fortschritte bei der Realisierung einer abstimmbaren Breitbandemission erzielt wurden, bleiben die unbefriedigende Lumineszenzeffizienz und die schlechte thermische Stabilität weiterhin große Probleme.

Granate vom Typ A3B2C3O12 gelten als vielversprechende Wirtsmaterialien, die diese Probleme lösen können, da ihre kompakte koordinierte Umgebung und ihre einstellbaren Strukturen verschiedene Lumineszenzeigenschaften, einschließlich der erforderlichen, bieten können.

Leider gibt es einen Kompromiss zwischen der Emissionswellenlänge und der Effizienz sowie der thermischen Stabilität. Das heißt, die hocheffiziente und thermisch stabile NIR-Lumineszenz geht im Allgemeinen mit einer kurzen Emissionswellenlänge einher (3+-dotierte NIR-emittierende Granatleuchtstoffe).

In einem neuen Artikel veröffentlicht in Licht: Wissenschaft und Anwendungenhat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Jun Lin vom Changchun Institute of Applied Chemistry der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Professor Guogang Li von der China University of Geosciences über eine Strategie berichtet, bei der es darum geht, „zwei Fliegen mit einer Klappe zu schlagen“, um gleichzeitig die Lumineszenzeffizienz zu verbessern und thermische Stabilität des NIR-emittierenden Ca3Y2-2X(ZnZr)XGe3O12:Cr-Granatsystem durch Co-Substitution chemischer Einheiten, begleitet von nur geringer Emissionsverschiebung.

Die entwickelten NIR-emittierenden Leuchtstoffe zeigen potenzielle Anwendungen in der Informationsverschlüsselung, der Bildgebung von Biogewebe und der Nachtsicht. Diese Arbeit liefert neue Erkenntnisse für die Entwicklung leistungsstarker NIR-emittierender Leuchtstoffmaterialien.

Um eine hohe Lumineszenzeffizienz und thermische Stabilität für Cr3+-dotierte Granatleuchtstoffe zu erreichen, sollten zwei entscheidende Faktoren berücksichtigt werden. Einer davon ist der Lumineszenz-„Killer“ Cr4+, ​​der eine intensive Absorption im NIR-Bereich zeigt. Ein weiterer entscheidender Faktor ist die strukturelle Steifigkeit.

In dieser Arbeit wählten die Autoren Ca3Y2Ge3O12 mit einer typischen Granatstruktur als Ausgangswirt für die Chromdotierung. Durch eine Kationen-Co-Substitution von [Zn2+–Zr4+] für [Y3+–Y3+]eine Reihe von Ca3Y2-2X(ZnZr)XGe3O12:Cr-NIR-emittierende Leuchtstoffe wurden mithilfe einer herkömmlichen Hochtemperatur-Festkörpermethode synthetisiert. Der zugrunde liegende Lumineszenzoptimierungsmechanismus dieses Granatsystems wurde untersucht.

Die Strukturanalyse und die Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) deuten darauf hin, dass Chromionen sehr wahrscheinlich in Form von vierwertigen Cr4+-Ionen in die Ge4+-Zentren von Ca3Y2Ge3O12 eindringen. Die Koexistenz von Cr3+ und Cr4+ ist nachweislich für die geringe Quanteneffizienz von Ca3Y2Ge3O12:Cr verantwortlich. Die geplante Co-Substitution kleinerer [Zn2+–Zr4+] für [Y3+–Y3+] spielt eine erwartete Rolle als Reduktionsmittel, das die Umwandlung von Cr4+-Lumineszenzkillern in nützliche Cr3+-Emissionszentren fördert.

Dieses Ergebnis wird auch durch die diffusen Reflexionsspektren und Cr-K-Kanten-Röntgenabsorptionsspektren in der Nähe der Kantenstruktur belegt. Die Valenzreduktion hängt mit der erfolgreichen Rekonstruktion der Oktaederplätze für Cr3+-Ionen zusammen. Darüber hinaus ist die Einführung von [Zn2+–Zr4+] Die Einheit trägt auch zu einer starren Kristallstruktur bei.

Diese beiden Aspekte zusammen führen zu einer gleichzeitigen hohen internen Quanteneffizienz von 96 % und einer hervorragenden thermischen Stabilität von 89 % bei 423 K, was fast alle berichteten Cr3+-dotierten Granatleuchtstoffe in einem ähnlichen Emissionsbereich (770–820 nm) übertrifft. Dies beweist die Machbarkeit der geplanten Co-Substitution zur Optimierung der Lumineszenzeigenschaften für Cr3+-dotierte Granatleuchtstoffe.

Darüber hinaus wird durch die wiederhergestellte starre kovalente Struktur auch die Säurebeständigkeit des Leuchtstoffs deutlich verbessert. Inspiriert dadurch wird eine Informationsverschlüsselung mit „Brennen nach dem Lesen“ erreicht. Schließlich zeigt die hergestellte NIR-emittierende PC-LED vielversprechende Anwendungen in der Bildgebung von Biogewebe und in der Nachtsicht.

Diese Arbeit bietet eine neue Perspektive der Lumineszenzoptimierung durch Co-Substitution chemischer Einheiten, und der offenbarte universelle Mechanismus könnte die weitere Erforschung leistungsstarker Cr3+-dotierter NIR-emittierender Leuchtstoffmaterialien motivieren.