近紅外發(fā)光材料是近紅外光源的重要部分。然而光源器件在工作過(guò)程中發(fā)熱，溫度可達(dá)到100-150°C，而在此環(huán)境下發(fā)光材料常常會(huì)出現(xiàn)熱猝滅現(xiàn)象，發(fā)光強(qiáng)度隨環(huán)境溫度上升而顯著下降。因此，亟需開(kāi)發(fā)高效率，熱穩(wěn)定性高的近紅外發(fā)光材料。近日，應(yīng)用物理與材料學(xué)院發(fā)光材料與器件研究團(tuán)隊(duì)的溫大尉博士與中山大學(xué)的吳明娒教授以及臺(tái)灣大學(xué)的劉如熹教授合作，以近紅外發(fā)光離子Cr³⁺摻雜CaScAlSiO₆-CaMgSi₂O₆輝石固溶體作為研究對(duì)象，通過(guò)晶體結(jié)構(gòu)的無(wú)序至有序轉(zhuǎn)變的策略設(shè)計(jì)，提高了輝石材料的結(jié)構(gòu)剛性，材料的熱穩(wěn)定性明顯得到改善。相關(guān)的研究成果發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊Angewandte Chemie International Edition上（Dawei Wen, Hongmin Liu, Yue Guo, Qingguang Zeng, Rushi Liu，Disorder-order Conversion-induced Enhancement of Thermal Stability of Pyroxene NIR Phosphors， Angewandte Chemie International Edition 2022, DOI:10.1002/anie.202204411）。

圖1. (a) CaScAlSiO₆的晶體結(jié)構(gòu)，(b) CaMgSi₂O₆的晶體結(jié)構(gòu)，
(c) CaSc_0.995-xMg_xAl_1-xSi_1+xO₆:0.5%Cr³⁺強(qiáng)度歸一化發(fā)射光譜（激發(fā)峰450 nm），(d) CaSc_0.995-xMg_xAl_1-xSi_1+xO₆:0.5%Cr³⁺隨溫度變化的發(fā)光強(qiáng)度積分。

在輝石礦物CaScAlSiO₆晶體中，Al³⁺和Si⁴⁺以50% vs. 50%的占有率占據(jù)8個(gè)C格位。即4個(gè)Al³⁺和4個(gè)Si⁴⁺隨機(jī)進(jìn)入8個(gè)位置，根據(jù)數(shù)學(xué)計(jì)算，共有70種可能性。材料的發(fā)光性能受發(fā)光離子所處的局域環(huán)境影響。通過(guò)組合數(shù)學(xué)的窮舉法結(jié)合密度泛函理論計(jì)算，深入分析所有可能性并計(jì)算電子結(jié)構(gòu)和彈性性質(zhì)。經(jīng)過(guò)成分調(diào)控，可形成連續(xù)固溶體CaSc_0.995-xMg_xAl_1-xSi_1+xO₆:0.5%Cr³⁺，并完成從無(wú)序到有序的結(jié)構(gòu)變化。隨著固溶體徹底轉(zhuǎn)化為有序的CaMgSi₂O₆:Cr³⁺，發(fā)射光譜藍(lán)移，半峰寬變小，熱穩(wěn)定性能和量子效率都得到優(yōu)化，同時(shí)徳拜溫度也不斷上升，從CaScAlSiO₆的561.86 K到CaMgSi₂O₆的675.63 K。

圖2. (a) 460 nm藍(lán)光芯片與CaMgSi₂O6:Cr₃₊熒光粉制成光源的光譜，(b) 隨輸入電流增加光源發(fā)光強(qiáng)度變化曲線(xiàn)，(c) 近紅外光源結(jié)合紅外相機(jī)探測(cè)研缽瑪瑙杵的裂痕，(d) 近紅外光源結(jié)合紅外相機(jī)探測(cè)卡片內(nèi)部芯片位置。

近紅外光具有不可見(jiàn)、穿透性?xún)?yōu)良以及波長(zhǎng)與有機(jī)分子吸收譜重疊等特點(diǎn)，在夜視防盜、材料和食品檢測(cè)等方面有著巨大的應(yīng)用前景。CaMgSi₂O₆:Cr³⁺發(fā)光材料通過(guò)與藍(lán)光芯片組合后，CaMgSi₂O₆:Cr³能吸收大部分的藍(lán)光并轉(zhuǎn)化成近紅外光，在各種工件中的表面和物體內(nèi)部裂痕傷痕探測(cè)方面具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。