近日，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所先進激光與光電功能材料部研究團隊在新型近紅外熒光硼酸鹽玻璃材料研究方面取得進展。相關(guān)研究成果以“Broadband near-infrared luminescence of impurity Fe3+ in borate glass: a promising material for glass-converted light-emitting diodes”為題，發(fā)表于Ceramics International。 
隨著科技的進步，近紅外(NIR)發(fā)光材料在醫(yī)療成像、夜視技術(shù)以及無損檢測等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。然而，現(xiàn)有的NIR發(fā)光材料在發(fā)光效率和波長范圍上仍存在局限性，尤其是在需要寬帶NIR發(fā)光的應(yīng)用中。傳統(tǒng)的NIR材料往往依賴于稀土元素，這不僅成本高昂，而且資源有限。因此，開發(fā)一種高效、低成本且具有寬帶NIR發(fā)光特性的新型材料成為了當(dāng)前研究的熱點。
本研究提出了一種通過改變Fe³?配位場對稱性來有效增強其近紅外寬帶發(fā)光的新策略。研究團隊在還原氣氛中制備了摻雜氟(F)或硫(S)的硼酸鹽玻璃，并在約360 nm的近紫外(NUV)激發(fā)下，觀察到了500-1150 nm波長范圍內(nèi)的寬帶NIR發(fā)光。發(fā)射峰值波長約為740 nm，半高寬為225 nm，平均壽命為數(shù)百微秒。結(jié)合光致發(fā)光(PL)、吸收(Abs)和電子順磁共振(EPR)光譜分析，研究人員發(fā)現(xiàn)這種NIR發(fā)光源于玻璃中與F?或S²?配位的四面體雜質(zhì)Fe³?。F和S的存在改變了Fe³?中心的局部配位對稱性，導(dǎo)致d電子分裂增加，從而增強了d→d躍遷的發(fā)光。此外，研究團隊還開發(fā)了一種NIR gc-LED器件，通過將NIR熒光玻璃與365 nm近紫外LED耦合，實現(xiàn)了無損內(nèi)部檢測、人體手指血管的無損成像以及夜視功能。
這項研究不僅為NIR發(fā)光材料的設(shè)計提供了新的思路，還展示了硼酸鹽玻璃在NIR發(fā)光應(yīng)用中的巨大潛力。與傳統(tǒng)的稀土基NIR材料相比，這種基于Fe³?的玻璃材料成本更低、資源更豐富，且具有優(yōu)異的發(fā)光性能。該透明玻璃材料的成功開發(fā)，不僅豐富了新型NIR材料的種類，還為低成本、高效能的NIR發(fā)光材料的開發(fā)提供了重要的理論和實驗依據(jù)，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。有望進一步應(yīng)用于醫(yī)療成像、夜視技術(shù)以及無損檢測等領(lǐng)域。
相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金項目的支持。
圖1 (a)硼酸鹽玻璃樣品的實物圖。(b)NIR gc-LED進行手部靜脈成像的示意圖。(c)近紅外相機獲取的手部靜脈成像(d)近紅外相機拍攝的放置于紙后的剪刀。(e)被紙遮擋的裝有酒精的PET塑料瓶近紅外透射成像。(f)裝有二氧化硅粉末的氧化鋁坩堝近紅外透射成像。插圖為日光燈下可見相機捕獲的實物圖。
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