上海理工大学光电学院团队在《光：科学与应用》上发表近红外发光材料与器件相关研究成果
近日，我校光电学院庄松林院士、张大伟教授领导的超精密光学制造团队禹德朝教授课题组，在新型高性能近红外发光材料、器件与应用方面取得了重要进展，在国际光学顶级期刊《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）（影响因子：23.4）发表题为“提取A2Sc2B4O11:Fe3+,Yb3+ (A = Sr, Ba)中暗态Fe3+光吸收中心的能量，以促进高效近红外发光和pc-LED光源的多功能化应用”[Energy extraction from dark Fe3+ in A2Sc2B4O11:Fe3+, Yb3+ (A = Sr, Ba) toward promoted NIR luminescence and pc-LED light source for multifunctional applications]研究成果。上海理工大学为第一作者单位，论文第一作者和通讯作者为禹德朝教授和张大伟教授，第二作者为2022级硕士研究生刘海晟同学，合作单位包括佛山大学和广西大学。
近红外光由于其具备出色的穿透能力和对特定物质吸收的专属响应特性，在夜视、无损检测、食品分析和生物成像等诸多前沿领域发挥着不可替代的作用。荧光粉转换型发光二极管(pc-LED)近红外光源具有尺寸小、能效高、使用寿命长、成本低、光谱宽带可调谐等诸多优点，是满足下一代近红外光谱技术的理想光源，也成为当前的研究热点。然而，长期以来，高性能的宽带近红外荧光粉高度依赖铬离子作为发光中心。含铬材料在制备和长时间使用过程中，存在被氧化为高毒性价态(如Cr3+ → Cr6+)的隐患，这不仅限制了其大规模应用，也给生态环境和人体健康带来了潜在的威胁。因此，寻找一种无毒、环保的理想替代发光元素成为了业界亟待解决的难题。
面对这一挑战，研究团队跳出传统框架，将目光投向了自然界中广泛存在且为人体必需的健康元素铁(Fe)，并打破其作为光能量“猝灭剂”的传统发光物理认知，在特定的复合硼酸盐晶格环境中(A2Sc2B4O11, A = Sr, Ba)，突破Fe3+离子光能吸收只转化为热能而不发光的固有限制，成功实现了Fe3+掺杂离子的宽带近红外发光：半高宽为约为170 nm，发射峰值分别975 nm (A = Sr)和930 nm (A = Ba)。同时，为了进一步“唤醒”材料中那些处于“休眠”状态、经过快速非辐射跃迁损耗激发能的“暗态(即不发光)”Fe3+离子，研究团队巧妙地引入了稀土镱离子(Yb3+)作为暗态Fe3+激活剂的能量提取器。这种Fe3+/Yb3+共掺杂的策略就像是在材料内部建立了一套高效的微观能量“共振”传输网络，成功地拦截了Fe3+-to-Fe3+之间的无效能量消耗，并将这些能量汇聚转化到Yb3+离子，最终爆发出极为高效的近红外发光：近红外区域的荧光积分强度最大提高了160
。最优样品Sr2Sc2B4O11:2%Fe3+,15%Yb3+的内/外量子效率分别为78%和48%，且具有良好的热稳定性> 63%@373 K，并可用于光学测温，在423 K的相对灵敏度高达1.5% K-1。
值得一提的是，光学材料A2Sc2B4O11:Fe3+具有独特的近紫外吸收带，其峰值位于370 nm (A = Sr)和355 nm (A = Ba)，更适用于主流商用近紫外~ 365 nm芯片的耦合与激发应用。最终，研究团队制备了pc-LED近红外光源器件，搭建近红外光谱检测与成像系统，成功实施和展示了这款新型pc-LED近红外光源在生物医学成像、食品安全筛查及工业无损检测等领域的多功能应用。这项突破性研究不仅挑战了当前对Fe3+离子发光特性的固有认知，制得了一系列更加绿色且高效的近红外发光材料，更提供了一套可行的应用技术方案。
该近红外荧光材料的光谱、结构、能量提取机制和所制成的pc-LED近红外光源的部分应用展示
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02284-8
