近日，中科院上海光機(jī)所先進(jìn)激光與光電功能材料部研究團(tuán)隊(duì)在新型近紅外熒光硼酸鹽玻璃材料研究方面取得進(jìn)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(jìn)步，近紅外（NIR）發(fā)光材料在醫(yī)療成像、夜視技術(shù)以及無(wú)損檢測(cè)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(zhǎng)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(kāi)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(diǎn)。

本研究提出了一種通過(guò)改變Fe³⁺配位場(chǎng)對(duì)稱性來(lái)有效增強(qiáng)其近紅外寬帶發(fā)光的新策略。研究團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)范圍內(nèi)的寬帶NIR發(fā)光。發(fā)射峰值波長(zhǎng)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(duì)稱性，導(dǎo)致d電子分裂增加，從而增強(qiáng)了d→d躍遷的發(fā)光。此外，研究團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了一種NIR gc-LED器件，通過(guò)將NIR熒光玻璃與365 nm近紫外LED耦合，實(shí)現(xiàn)了無(wú)損內(nèi)部檢測(cè)、人體手指血管的無(wú)損成像以及夜視功能。

圖片:W020250405518122948652.png

圖1 （a）硼酸鹽玻璃樣品的實(shí)物圖。（b）NIR gc-LED進(jìn)行手部靜脈成像的示意圖。（c）近紅外相機(jī)獲取的手部靜脈成像（d）近紅外相機(jī)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(jiàn)相機(jī)捕獲的實(shí)物圖。

這項(xiàng)研究不僅為NIR發(fā)光材料的設(shè)計(jì)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(kāi)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(kāi)發(fā)提供了重要的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。有望進(jìn)一步應(yīng)用于醫(yī)療成像、夜視技術(shù)以及無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域。

相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2025.01.118