导读

由发光陶瓷组成的激光驱动近红外二区（NIR-II）光源是一个具有极大应用前景的研究方向，但其发展仍然受到当前发光材料的外部量子效率低和热稳定性差的制约。传统近红外二区光源的输出功率低、光转换材料稳定性不佳、器件组装复杂等问题限制了其成像效果和进一步发展。在此，含羞草 王静教授课题组提出了一种非等效阳离子取代策略，用于制备高效半透明MgO:Ni²⁺,Cr³⁺近红外二区荧光陶瓷。Cr³⁺的共掺杂在Ni²⁺占据的八面体位点处引发结构畸变，有效打破宇称禁戒的d-d跃迁束缚，同时实现了Cr³⁺到Ni²⁺的高效能量转移，协同效应下获得了提升的外量子效率（39.69%）。具有高热导率（31.28 W·m^-1·K^-1）和卓越热稳定性（92.11%@478K）的荧光陶瓷适用于激光驱动的近红外二区光源，在21.43 W/mm²蓝色激光激发下实现了214 mW的破纪录近红外二区输出功率。这项工作为将推动高性能NIR-II光源研发及其在先进成像和检测领域的应用。相关研究成果以 “Laser-driven luminescent ceramic-converted near-infrared II light source for advanced imaging and detection techniques”为题发表于《Light: Science & Applications》。

研究背景

近红外LED光源因其非破坏性的检测能力已经改变了多个领域，包括生物医学成像、材料分析和安全筛查。然而，仍然存在LED效率骤降、荧光粉热降解以及有机粘合剂的低导热性（~0.5W·m^-1·K^-1）三个固有问题尚未解决。这些挑战的解决将推动近红外荧光陶瓷转换激光驱动的近红外光源(NIR lc-LD) 的发展，开发出高性能激光驱动荧光转换型近红外光源器件。

研究亮点

此前，含羞草 王静教授课题组在蓝宝石衬底上制备MgO:Cr³⁺,Ni²⁺荧光粉玻璃薄膜并实现了激光驱动的NIR-II发射（J. Mater. Chem. C, 2023,11, 9014-9022），在此基础上，本文进一步提出了一种非等效阳离子取代策略制备了半透明MgO:Ni²⁺,Cr³⁺高效NIR-II荧光陶瓷。

图1. MgO:Ni²⁺,Cr³⁺半透明陶瓷的形态与结构。a)抛光后 MgO:x%Ni²⁺,y%Cr³⁺（x = 0-0.7, y = 0和0.3）陶瓷在自然光下的图像。b) MgO:0.3%Ni²⁺,0.3%Cr³⁺陶瓷的SEM图像，左下角插图为晶粒尺寸分布直方图。c) MgO:0.3%Ni²⁺,0.3%Cr³⁺陶瓷的TEM图像，右上角插图为红色方框标记的晶格条纹放大部分。d) MgO:0.3%Ni²⁺,0.3%Cr³⁺陶瓷的单轴衍射图案。

并与重庆邮电大学马重庚教授合作，通过理论计算揭示了Cr³⁺的共掺杂在Ni²⁺占据的八面体位点引起结构畸变，这有效打破了d-d跃迁的宇称禁阻，同时实现了从Cr³⁺到Ni²⁺的高效能量转移。协同作用下获得了分别为61.06%和39.69%的内/外量子效率。开发制备的MgO:Ni²⁺,Cr³⁺陶瓷具有31.28 W·m^-1·K^-1的高热导率，表现出卓越的热稳定性，在高达478 K的温度下保持了室温发射强度的92.11%。

图2. MgO:Ni²⁺,Cr³⁺半透明陶瓷的发光特性。a) MgO:0.3%Ni²⁺,0.3%Cr³⁺、MgO:0.3%Ni²⁺及MgO:0.3%Cr³⁺陶瓷的激发光谱（PLE）与荧光光谱（PL）。b) MgO:0.3%Ni²⁺,0.3%Cr³⁺陶瓷中Cr³⁺/Ni²⁺能级图及Cr³⁺向Ni²⁺能量转移机制。c) MgO:0.3%Ni²⁺与MgO:0.3%Ni²⁺,0.3%Cr³⁺陶瓷中八面体阳离子位点Ni²⁺近红外II发光光谱对比。d) MgO:Ni²⁺与MgO:Ni²⁺,Cr³⁺陶瓷中[NiO₆]八面体畸变结构（不同Ni²⁺-Cr³⁺距离）。插图展示了MgO:Ni²⁺与MgO:Ni²⁺,Cr³⁺中[NiO₆]八面体的局部结构，其中Ni²⁺-Cr³⁺距离分别为3.03、4.28、5.21、6.01和6.72 Å。e) O-2p和Ni-3d轨道对最高占据3d Kohn-Sham轨道的贡献，作为Ni²⁺-Cr³⁺间距（3.03、4.28、5.21、6.01和6.72Å）的函数。f)单个Ni²⁺掺杂剂（左）与间距为4.28Å的Ni²⁺-Cr³⁺掺杂剂（右）的带分解电荷密度分布。这些分布图展示了(0 6 0)米勒平面内Ni²⁺ 3d⁸ Kohn-Sham轨道，饱和尺度从0.0001（蓝色）到0.002（红色），等值线间隔为0.01至0.3，其中a₀为玻尔半径。g) MgO:0.3%Ni²⁺,0.3%Cr³⁺（x = 0.1-0.7）陶瓷与MgO:0.3%Ni²⁺,0.3%Cr³⁺荧光粉的吸收（虚线）、量子内部效率（红柱）及量子外部效率（蓝柱）。h) MgO:0.3%Ni²⁺,0.3%Cr³⁺陶瓷与荧光粉的积分发光强度随温度变化趋势。i) MgO:0.3%Ni²⁺,0.3%Cr³⁺陶瓷与先前报道的Ni²⁺激活NIR-II荧光粉的EQE值对比。

当MgO:Ni²⁺,Cr³⁺荧光陶瓷集成到激光驱动的NIR-II光源中时，该系统在21.43 W/mm²蓝色激光激发下实现了214 mW的破纪录近红外二区输出功率。最后，展示了该近红外二区光源卓越的无损成像能力，具有5.29 lp/mm的空间分辨率和0.97的对比度。这项工作为在先进成像和检测技术中开发高性能NIR-II光源建立了新的范例。

图3. 激光驱动的近红外二区（NIR-II）器件及其发光特性。a)激光驱动的NIR-II器件与近红外光学测量系统的示意图。插图分别为：(i) 准直镜照片，(ii) 可见光相机拍摄的工作近红外II光源图像，(iii) 近红外相机拍摄的图像。b)基于MgO:x%Ni²⁺,0.3%Cr³⁺（x = 0.1-0.7）陶瓷的激光驱动NIR-II器件在不同入射蓝激光功率密度下的输出功率。插图分别为MgO:0.3%Ni²⁺,0.3%Cr³⁺陶瓷在10、15和20 W/mm²蓝光激光激发下的照射点热成像图。c) MgO:0.3%Ni²⁺,0.3%Cr³⁺陶瓷的输入功率密度依赖性光致发光光谱。d) MgO:0.3%Ni²⁺,0.3%Cr³⁺陶瓷在120分钟持续1和5 W/mm²蓝光激光激发下的发光稳定性。插图为该陶瓷在1 W/mm²和5 W/mm²蓝光激光激发下，分别照射1分钟和120分钟时的照射点热图。

图4. 基于激光驱动的NIR-II光源的应用。a) 采用MgO:0.3%Ni²⁺,0.3%Cr³⁺陶瓷制备的激光驱动近红外II光源空间分辨率，通过标准线对卡测定。 b) 基于MgO:0.3%Ni²⁺,0.3%Cr³⁺陶瓷的激光驱动近红外II光源调制传递函数曲线。 c) 商业硅片内部集成微结构照片：左上角插图为日光下可见光相机拍摄，其余为近红外相机在所得近红外II光源下拍摄。 d) 塑料盒上铁片的摄影：日光下可见光相机拍摄（d₁），暗室中红外相机拍摄（d₂），不同蓝光激光功率密度下本NIR-II光源照射效果（d₃-d₆）。e) 塑料盒白色环（实点线）与铁片黑色环（实方线）的近红外图像灰度变化趋势，以及白色/黑色环近红外图像的对比度变化趋势（实星线），在不同蓝光激光功率密度下暴露于本实验室NIR-II光源时的变化。插图为在2.86 W/mm²激发条件下塑料盒上铁片的NIR图像。

 总结与展望 

本工作成功制备出具有高外量子效率和高热导率的近红外二区MgO:Ni²⁺,Cr³⁺荧光陶瓷。得益于MgO:Ni²⁺,Cr³⁺中的非等效共掺杂策略，打破了 Ni²⁺离子在八面体位点的 d-d 宇称禁戒，并实现了从 Cr³⁺到 Ni²⁺的高效能量传递，从而显著提高了外量子效率和抗热猝灭性能。制备的激光驱动近红外二区光源在较高的入射蓝光功率密度下实现了破纪录的宽带近红外二区输出功率，进一步展示了其在无损实时高功率NIR-II成像和检测中的潜在应用。这项工作为未来开发用于激光驱动的无损实时高功率NIR-II成像和检测应用的高性能Ni²⁺激活NIR-II发射荧光陶瓷开辟了新的途径。

 论文信息 

Gu, S., Lian, H., Kuang, R. et al. Laser-driven luminescent ceramic-converted near-infrared II light source for advanced imaging and detection techniques. Light Sci Appl 14, 317 (2025). 

//doi.org/10.1038/s41377-025-01953-4