创新点：浙江大学邱建荣教授团队通过一种简易的玻璃晶化技术开发了一类外量子效率高、热稳定性好的宽带近红外荧光陶瓷。这类荧光陶瓷作为全无机转换体，可以从根本上解决传统“荧光粉+有机硅脂”不能兼顾吸收效率高、内量子效率高和热猝灭低的问题，从而实现荧光转换型宽带近红外LED的高效率、高功率密度输出。

关键词：Advanced Science，近红外，陶瓷，微型光源，浙江大学

近红外（NIR）光源在生物成像、光生物调节、全光谱照明、太阳模拟器以及光谱分析技术等诸多领域具有不可替代的作用。近年来，随着手机、智能手表等移动电子设备的多功能化和大规模普及，人们期待将传统的近红外光谱仪微型化，以便集成于这些便携式/可穿戴终端装备中，从而实现对食品、药物、衣物等的即时检测和对人体健康的实时监控。然而，传统的卤钨灯和超连续激光具有体积大和效率低的缺点，而NIR发光二极管（LED）的发射带窄且价格高，均不能满足应用要求。因此，开发价格低、效率高、体积小的宽带近红外光源是实现上述应用场景的关键之一。

“蓝光LED+荧光粉”的荧光转换型LED（pc-LED）是一种极具应用潜力的微型宽带光源，其发射的近红外光全部源于荧光粉，可以通过混合一种或多种NIR荧光粉实现超宽带NIR发射。相比于白光pc-LED，NIR pc-LED中“蓝光→近红外光”转换的量子缺损（Stokes能量损耗）更大，因此对NIR荧光粉的性能要求更高。但是，因为激发态电子的非辐射跃迁几率随着基态与激发态之间的能量间距变小而增加，NIR发射在本质上更难实现高效率和高热稳定性。与其他NIR发光离子相比，三价铬离子（Cr³⁺）在内量子效率（IQE）和光谱可调性等方面均已表现出明显优势。但是，由于相关能级跃迁是偶极禁戒的，Cr³⁺激活的荧光粉对蓝光的吸收弱，外量子效率（EQE）低，而提高掺杂浓度会导致IQE下降和热猝灭加重。此外，荧光粉需要有机硅脂、环氧树脂等进行LED器件封装，而这类透明有机材料的热导率极低且物理化学稳定性差。

浙江大学邱建荣教授和肖文戈博士等人针对上述问题，通过一种简单的玻璃晶化技术开发了一类外量子效率高、热稳定性好的宽带近红外荧光陶瓷，并将其直接作为全无机转换体，获得了一种高性能的NIR pc-LED。相关结果发表在Advanced Science上，论文第一作者为博士研究生郑国君。

荧光陶瓷是一种高度致密化的块体发光材料。它不但具有高的热导率和极好的物理化学稳定性，而且可以提高激活离子对激发光的吸收率，这是因为入射光在荧光陶瓷内部受到的散射较弱，其有效传播距离更长。荧光陶瓷一般采用粉末烧结法制备，这种方法主要借助高温、高压、高真空等极端条件来实现块体材料的致密化，成本高、工艺复杂。该研究团队在前期工作中，通过玻璃组分设计和晶化过程控制，获得了一种100%内量子效率和零热猝灭的窄带深红光陶瓷（Laser Photonics Rev., 15, 2100060）。另外也开拓了基于3D打印的兼具高发光效率和热稳定性的荧光体与石英玻璃复合荧光转换材料制备新技术（Nature Commun., 11, 2805 (2020)）。近日，该研究团队以钇铝石榴石（Y₃Al₅O₁₂）为基础，通过阳离子组分设计不但提高了原始组分的玻璃形成能力，而且将Y₃Al₅O₁₂:Cr³⁺的窄带深红光发射调控为Y₂CaAl₄SiO₁₂:Cr³⁺的宽带近红外发射 （峰值波长760 nm，半高宽160 nm）。所获得的荧光陶瓷的IQE/EQE高达90.1%/59.5%，在150℃时其发光强度仍维持室温的90.6%且光谱形状几乎不随温度变化。此外，他们展示了一种高效的全无机宽带NIR pc-LED原型器件（NIR光电转换效率为21.2%@100 mA），并演示了其在夜视和近红外光谱等领域的应用。由于这种荧光陶瓷可以承受高功率密度激发，因此可以与蓝色激光相结合，进一步拓展其应用领域。该研究团队还表示，他们正在采用玻璃晶化技术开发更高效率的超宽带NIR（半高宽>250nm）荧光陶瓷。