华南理工董国平团队: 波长大幅可调+高热稳定的 Fe³⁺ 近红外发光材料

文摘   2024-10-11 10:32   北京  

研究背景

随着智能设备的普及,人们致力于开发可集成到智能手机中的便携式近红外光源,以实现特定有机官能团的即时识别与检测。近年来,以环境友好型的 Fe3+ 离子作为近红外发光中心在智能近红外光源等领域引起了研究人员的广泛关注。
然而,目前所报道的 Fe3+ 离子激活近红外发光材料存在着热稳定性差、发射波长短且不可调谐等局限,难以满足实际应用的需求。

文章简介

近日,华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室董国平教授课题组从晶体结构特性角度出发,通过选取具有多变局域晶体场环境的尖晶石氧化物为基质,提出了一种阳离子位点调控策略,利用 Mg2+-/Al3+ 化学取代改变局域晶体场环境以及 Fe3+ 的占据格位优先性,在 Fe3+ 掺杂的 MgAl2O4 体系中实现了发射波长从 730 nm 到 770 nm 的大幅度调控以及发光强度接近 180% 的有效提高。此外,该调控策略可以有效拓展至 ZnAl2O4、ZnGa2O4 以及 MgGa2O4 等其他尖晶石结构体系。

借助于电子顺磁共振光谱、拉曼光谱以及固态核磁谱等多种结构表征手段,我们揭示了该材料发射波长红移以及发光增强的内在机理 (Figure 1)。

  • Figure 1. Mg1-yAl2+yO4:Fe3+ (y = 0–0.13) 材料的光学性能表征以及调控机理分析。
分析表明,所制备的 Mg0.87Al2.13O4:Fe3+ 近红外发光材料具有优异的热稳定性,在 423 K 高温下仍然可以保持室温初始发光强度的 85.13%,明显高于目前报道的 Fe3+ 掺杂近红外发光材料体系以及其他具有相似发射波长的离子掺杂近红外发光材料。通过变温光谱、热释光光谱、德拜温度以及原位变温 XRD 等分析,阐明了该材料具有优异热稳定性的原因在于弱的电子-声子耦合作用、高的结构刚性以及宽的带隙的协同作用。最后,我们构建了近红外荧光转换 LED 器件,演示了该材料在无损检测以及 Cu2+ 离子定量分析方面的应用潜力。
这项工作为实现多光子应用的离子激活近红外发光材料的性能调控提供了新的设计思路。相关研究成果以“Achieving spectrally tunable and thermally stable near-infrared emission in Fe3+-activated spinel phosphors via the cation site modulation strategy”(《通过阳离子位点调控策略在 Fe3+ 激活尖晶石荧光体中实现光谱可调和热稳定的近红外发射》)为题发表在英国皇家化学会期刊 Journal of Materials Chemistry C 上,并入选为 hot papers

论文信息

  • Achieving spectrally tunable and thermally stable near-infrared emission in Fe3+-activated spinel phosphors via the cation site modulation strategy

    Zhihao Zhou, Hongjun Jiang, Jingwen Wei, Zhuowei Fei, Bozhao Yin, Jianrong Qiu, Zhongmin Yang and Guoping Dong*

    J. Mater. Chem. C, 2024
    https://doi.org/10.1039/D4TC02763A

作者简介

周智豪 博士后/助理研究员
华南理工大学

本文第一作者,华南理工大学材料科学与工程学院/发光材料与器件国家重点实验室博士后、助理研究员。主要从事光/热/力响应型发光材料、新型近红外发光材料的设计、调控以及应用探索等方面的研究。近年来发表 SCI 论文 13 篇,单篇最高他引 150 余次。作为项目负责人主持了国家自然科学基金青年基金、广东省自然科学基金面上以及中国博士后科学基金面上等项目。






董国平 教授/博士生导师
华中科技大学

本文通讯作者,华南理工大学材料科学与工程学院/发光材料与器件国家重点实验室教授、博导,国家优秀青年科学基金获得者,兼任广东省材料研究学会青年委员会主任。主要从事光学材料与器件的研究,在 Nature Photonics 等国际著名期刊上发表 SCI 论文 100 余篇,论文引用约 10000 次,在国内外学术会议做大会/主题/邀请报告 50 余次,相关成果入选中国光学十大进展,获得首届广东省科技奖—青年科技创新奖等省部/学会学术奖励 6 项。

期刊介绍

Materials with applications in optical, magnetic & electronic devices

rsc.li/materials-c

J. Mater. Chem. C

2-年影响因子*5.7
5-年影响因子*6.0
JCR 分区*Q1 物理-应用
Q2 材料科学-跨学科
CiteScore 分10.8
中位一审周期29 


Journal of Materials Chemistry ABC 报道材料化学各领域的高质量理论或实验研究工作。这三本期刊发表的论文侧重于报道对材料及其性质的新理解、材料的新应用以及材料合成的新方法。Journal of Materials Chemistry ABC 的区别在于所报道材料的不同预期用途。粗略的划分是,Journal of Materials Chemistry A 报道材料在能源和可持续性方面的应用,Journal of Materials Chemistry B 报道材料在生物学和医学方面的应用,Journal of Materials Chemistry C 报道材料在光学、磁学和电子设备方面的应用。

Editor-in-Chief

  • Natalie Stingelin
    🇺🇸 佐治亚理工学院

Associate editors
  • A. S. Achalkumar
    🇮🇳 印度理工学院古瓦哈提分校

  • Rachel Crespo-Otero
    🇬🇧 伦敦大学学院

  • Renaud Demadrille
    🇫🇷 格勒诺布尔跨学科研究所

  • Antonio Facchetti
    🇺🇸 佐治亚理工学院/西北大学

  • Unyong Jeong
    🇰🇷 浦项科技大学

  • Oana Jurchescu
    🇺🇸 威克森林大学

  • Mingzhu Li (李明珠)
    🇨🇳 中科院理化技术研究所

  • Martyn McLachlan
    🇬🇧 伦敦帝国理工学院

  • Kasper Moth-Poulsen
    🇪🇸 巴塞罗那材料科学研究所

  • Ana Flávia Nogueira
    🇧🇷 坎皮纳斯州立大学

  • Erin Ratcliff
    🇺🇸 亚利桑那大学

  • Yana Vaynzof
    🇩🇪 德累斯顿工业大学

  • Maia G. Vergniory
    🇩🇪 马普固体物理化学研究所

  • Zhiguo Xia (夏志国)
    🇨🇳 华南理工大学

  • Hao-Li Zhang (张浩力)
    🇨🇳 兰州大学

  • Ni Zhao (赵铌)
    🇨🇳🇭🇰 香港中文大学

* 2023 Journal Citation Reports (Clarivate, 2024)

 CiteScore 2023 by Elsevier
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