Les diodes électroluminescentes converties en phosphore (PC-LED) émettant dans le proche infrarouge (NIR) ont attiré l’attention dans des domaines technologiques émergents tels que la vision nocturne et la bio-imagerie. Actuellement, le développement de PC-LED émettant dans le NIR s’est heurté à un goulot d’étranglement en raison du manque de matériaux phosphorescents à émission NIR haute performance excitables par la lumière bleue.
Bien que les luminophores activés par Cr3+ se démarquent parmi les nombreux luminophores émettant dans le NIR et aient récemment progressé dans la réalisation d’une émission à large bande accordable, les problèmes majeurs demeurent leur efficacité de luminescence insatisfaisante et leur mauvaise stabilité thermique.
Les grenats de type A3B2C3O12 sont considérés comme des matériaux hôtes prometteurs capables de résoudre ces problèmes, car leur environnement compact coordonné et leurs structures accordables peuvent fournir diverses propriétés de luminescence, y compris celles requises.
Malheureusement, il existe un compromis entre la longueur d’onde d’émission et l’efficacité ainsi que la stabilité thermique. C’est-à-dire que la luminescence NIR hautement efficace et thermiquement stable est généralement accompagnée d’une courte longueur d’onde d’émission (luminophores grenat émetteurs NIR dopés 3+).
Dans un nouvel article publié dans Lumière : science et applicationsune équipe de scientifiques, dirigée par le professeur Jun Lin de l’Institut de chimie appliquée de Changchun, de l’Académie chinoise des sciences, et le professeur Guogang Li de l’Université des géosciences de Chine, a rapporté une stratégie « faire d’une pierre deux coups » pour améliorer simultanément l’efficacité de la luminescence et stabilité thermique du Ca3Y2-2 émetteur NIRX(ZnZr)XSystème de grenat Ge3O12:Cr par co-substitution d’unités chimiques, accompagné d’un léger déplacement d’émission.
Les luminophores émetteurs NIR développés présentent des applications potentielles dans le cryptage de l’information, l’imagerie des tissus biologiques et la vision nocturne. Ce travail offre de nouvelles perspectives pour le développement de matériaux phosphorescents émettant dans le NIR haute performance.
Pour obtenir une efficacité de luminescence et une stabilité thermique élevées pour les phosphores de grenat dopés au Cr3+, deux facteurs dominants doivent être pris en compte. L’un d’entre eux est le Cr4+ « tueur » de luminescence qui présente une absorption intensive dans la région NIR. Un autre facteur crucial est la rigidité structurelle.
Dans ce travail, les auteurs ont choisi Ca3Y2Ge3O12 avec une structure grenat typique comme hôte initial pour le dopage au chrome. Grâce à une co-substitution cationique de [Zn2+–Zr4+] pour [Y3+–Y3+]une série de Ca3Y2-2X(ZnZr)XGe3O12:Cr Les phosphores émetteurs NIR ont été synthétisés à l’aide d’une méthode traditionnelle à l’état solide à haute température. Le mécanisme sous-jacent d’optimisation de la luminescence de ce système de grenat a été étudié.
Les calculs de l’analyse structurale et de la théorie de la densité fonctionnelle (DFT) indiquent que les ions chrome sont très susceptibles de pénétrer dans les sites Ge4+ de Ca3Y2Ge3O12 sous la forme d’ions Cr4+ tétravalents. Il a été démontré que la coexistence de Cr3+ et Cr4+ est responsable de la faible efficacité quantique de Ca3Y2Ge3O12:Cr. La co-substitution conçue de plus petits [Zn2+–Zr4+] pour [Y3+–Y3+] joue un rôle attendu de réducteur, qui favorise la transformation des tueurs de luminescence Cr4+ en centres d’émission bénéfiques de Cr3+.
Ce résultat est également démontré par les spectres de réflectance diffuse et les spectres de structure d’absorption des rayons X du bord K du Cr. La réduction de valence est liée à la reconstruction réussie des sites octaédriques pour les ions Cr3+. De plus, l’introduction de [Zn2+–Zr4+] L’unité contribue également à une structure cristalline rigide.
Ensemble, ces deux aspects atteignent simultanément une efficacité quantique interne élevée de 96 % et une excellente stabilité thermique de 89 % à 423 K, ce qui surpasse presque tous les phosphores de grenat dopés au Cr3+ signalés dans une région d’émission similaire (770-820 nm). Cela prouve la faisabilité de la co-substitution conçue pour optimiser les propriétés de luminescence des phosphores de grenat dopés au Cr3+.
De plus, bénéficiant de la structure covalente rigide reconstruite, la résistance aux acides du luminophore est également grandement améliorée. Inspiré par cela, le cryptage des informations avec « gravure après lecture » est obtenu. Enfin, le PC-LED fabriqué à émission NIR présente des applications prometteuses dans l’imagerie des tissus biologiques et la vision nocturne.
Ce travail offre une nouvelle perspective d’optimisation de la luminescence par co-substitution d’unités chimiques, et le mécanisme universel révélé pourrait motiver une exploration plus approfondie des matériaux phosphorescents à haute performance dopés au Cr3+ et émettant dans le NIR.
Plus d’information:
Dongjie Liu et al, Conversion de Valence et reconstruction de site dans un grenat activé au chrome émettant dans le proche infrarouge pour une amélioration simultanée de l’efficacité quantique et de la stabilité thermique, Lumière : science et applications (2023). DOI : 10.1038/s41377-023-01283-3