植物照明用Cr3+掺杂石榴石透明陶瓷的发光增强与光谱调控研究

There are few kinds of far red fluorescent materials for plant growth LED lamps. We suppose to increase the efficiency and tune the emission spectra of YAG:Cr3+ garnet material to provide a new far red material. Three methods are included: (1) Preparation of transparent ceramic and increasing of the absorption by volume effect. (2) Cr3+ heavily doped material by radius compensation, this involves minimization of concentration quenching and increase of absorption. (3) Introduction of larger radius ions like La3+, Gd3+, Sc3+, Ga3+ to decrease the strength of crystalline field, controlling of the position of 4T2g energy level, achieving broad 725 nm emission. By these methods, we are expected to get a new kind of Cr3+ doped garnet transparent ceramic. This material will be applied in LED lamps for plant growth. The present project is expected to provide a physical basis for achieving novel luminescent materials with high efficiency.

针对目前植物照明用深红荧光材料缺乏的问题，本项目拟在YAG:Cr3+石榴石的基础上，克服其吸收能力弱、发射光谱与植物吸收不匹配两大问题。拟采用的方法为：（1）制备成透明陶瓷材料，利用透明陶瓷的体积效应增加材料的吸收能力；（2）通过半径补偿降低浓度猝灭效应，实现Cr3+的大浓度掺杂，有效增加材料吸收；（3）引入La3+, Gd3+, Sc3+, Ga3+等大半径离子，降低晶体场强度，控制Cr3+的4T2g能级位置，将窄带发射调控为725 nm的宽带发射。最后，获得新型的Cr3+掺杂石榴石体系透明陶瓷，并探索其在植物照明LED灯中的应用，为植物照明用深红荧光材料的继续改进提供物理依据。

对Cr3+掺杂的石榴石体系深红/近红外荧光材料展开了研究，主要取得如下研究结果。 1. 在国际上报道了量子效率最高的石榴石结构深红/近红外荧光粉。报道了Cr3+掺杂的Ca2RZr2Al3O12（R=Lu,Y,Gd）深红/近红外荧光粉，其最大优势在于高效率和宽谱带发射特性，为目前报道的效率最高的宽带深红/近红外荧光粉之一，也是石榴石结构实现的最高效率。 2. 提出了深红/近红外荧光粉效率提升的新思路。通过采用Lu3+-Al3+取代Ca2+-Si4+的非平衡离子替代组合，实现发光增强81.5倍。该取代过程一方面通过非平衡取代减少晶格中的+4价格位，从而抑制Cr4+的形成。另一方面通过调控正八面体最近邻的十二面体和四面体格位，从而抑制其它格位的低效发光中心。3. 在国际上率先报道了深红/近红外荧光粉在生物医疗检测方面的应用。使用Ca2Lu(Zr,Hf)2Al3O12:Cr3+宽带近红外荧光粉封装的宽带近红外pc-LED在100mA电流可以实现~46mW深红/近红外光输出。该pc-LED光源发出的深红/近红外光足以穿透上臂（~8cm），并通过光谱变化测量牛血红蛋白溶液，发现光谱吸收强度同血红蛋白溶液浓度成正比，展示了该型光源在人体特定成分检测中的应用前景。4. 成功制备Cr3+掺杂的YAG透明陶瓷，有效增加吸收能力，并通过调控实现725nm深红/近红外发射，实现与植物吸收的匹配。