Ca3MgSnGe3O12:Cr3+多功能近红外荧光粉的发光特性及余辉性能调控

作     者：冯秀秀 

作者单位：河北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李盼来

授予年度：2024年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 07[理学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070205[理学-凝聚态物理] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0702[理学-物理学] 

主      题：Ca3MgSnGe3O12:Cr3+ 近红外荧光 粉高效稳定 基质调控 能量传递 长余辉发光 

摘      要：近红外光谱技术快速发展,为应对各种各样的应用需求,亟待开发适用于多场景的高效稳定近红外荧光粉。石榴石结构的材料具有高结构刚性并且可为掺杂离子提供多占据位点等特性,因此本文选择石榴石结构的Ca3MgSnGe3O12作为基质,对晶体场环境敏感的过渡金属离子Cr3+离子作为激活离子,通过高温固相法成功制备了高效稳定近红外光荧光粉,并成功应用于潜在指纹检测以及夜视和生物组织穿透。然后在此基础上通过阳离子取代策略和能量传递策略对Ca3MgSnGe3O12:Cr3+的发光性能进行调控优化,并与蓝光芯片结合制备近红外pc-LED,成功应用于远距离夜视。最后还通过阳离子调控基质组分优化了材料的余辉性能,成功应用于生物组织穿透以及追踪定位,证实其具有长余辉应用潜力。主要的研究结果如下: （1）通过高温固相法成功制备了Ca3MgSnGe3O12:Cr3+近红外荧光粉。在468 nm蓝光激发下产生位于788 nm的发射,通过XRD结构精修,详细分析了Cr3+离子的占位情况,并且通过测试低温光谱和寿命衰减曲线证明发射来自单一发光中心。此外,掺杂助熔剂后,荧光粉具有较弱的电子-声子耦合（EPC）效应和较强的结构刚性,从而获得了较高的内量子效率（91.41%）和温度稳定性（91.75%@423 K）。将荧光粉应用于各种复杂背景的指纹检测,获得了高分辨率的指纹细节图像,并且在高温和长时间水泡环境下获取的指纹图像依然保持高分辨率,证明该材料在实际犯罪现场的指纹检测具有较大的应用潜力,然后将蓝光芯片与荧光粉结合制作成近红外pc-LED,应用于夜视和生物组织穿透。最终证明Ca3MgSnGe3O12:Cr3+近红外荧光粉具有非常广泛的应用前景。 （2）通过Sr2+离子取代Mg2+离子以及共掺杂稀土Nd3+离子对Ca3MgSnGe3O12:Cr3+进行调控,优化其发光性能,获得发射峰位于802 nm的长波长发射以及半峰宽为195nm的宽谱发射,并且温度稳定性提高到了423 K时的99.59%。监测不同波段的低温寿命证明单一发光中心的存在,说明光谱的红移并没有产生新的发光中心,并且通过计算黄昆因子以及活化能解析温度稳定性提高的原因,通过测试漫反射以及监测低温下不同发射波段的寿命,证明确实存在Cr-Nd能量传递。最后,将Ca3Mg0.7Sr0.3Sn Ge3O12:0.05Cr3+,0.05Nd3+荧光粉与460 nm蓝光芯片结合制成近红外pc-LED,测试了其在不同电流下的电致发光光谱,输出功率以及光电转换效率,拍摄了热图像,并将其应用于远距离夜视。本章内容为研究发射波长可调谐宽带荧光粉提供思路,该材料可适用于更广泛的近红外光谱应用。 （3）为了探索改善Ca3MgSnGe3O12:Cr3+的余辉发光性能,利用Li+离子取代Mg2+离子的调控策略,获得余辉时长超过15小时的Ca3Mg1-xLixSn Ge3O12:0.0005Cr3+,并且余辉亮度是Ca3MgSnGe3O12:0.0005Cr3+的三倍。通过研究XRD结构精修数据以及SEM和XPS测试结果,详细分析了晶体结构及占位情况,通过监测不同波段的寿命确定在Li+离子掺入后没有产生新的发光中心,通过测试余辉光谱、热释光谱以及余辉衰减曲线,确定了Cr3+离子以及Li+离子的最佳掺杂浓度。建立长余辉发光机理模型,进一步分析了余辉发射的原理以及长余辉时间增长的原因。最终将获得的Ca3Mg1-xLixSn Ge3O12:0.0005Cr3+长余辉荧光粉成功应用于生物组织穿透以及追踪定位,证明其应用潜力及潜在商业价值。