【摘 要】
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荧光粉转换型近红外LED（pc-NIRLED）相比于传统近红外光源有着诸多优势,例如发光效率高,体积小,制作工艺简单,成本低等。这些特点使得pc-NIR LED在夜视监测、生物组织成像、工业无损检测等领域有着广阔的应用前景。荧光粉作为pc-NIR LED中的关键材料,对近红外LED器件的整体性能起着决定性的作用。近年来,Cr3+离子掺杂的宽带发光材料因其优越的近红外发光性能而引起国内外学者的广泛关
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荧光粉转换型近红外LED（pc-NIRLED）相比于传统近红外光源有着诸多优势,例如发光效率高,体积小,制作工艺简单,成本低等。这些特点使得pc-NIR LED在夜视监测、生物组织成像、工业无损检测等领域有着广阔的应用前景。荧光粉作为pc-NIR LED中的关键材料,对近红外LED器件的整体性能起着决定性的作用。近年来,Cr3+离子掺杂的宽带发光材料因其优越的近红外发光性能而引起国内外学者的广泛关注。其中,Cr3+离子掺杂硅酸盐宽带近红外发光材料具有物理化学稳定性好、成本低和发光效率高等优点,有望成为应用于pc-NIR LED的理想光转换材料。本论文围绕Cr3+离子掺杂的硅酸盐基宽带近红外发光材料的设计制备及性能研究展开一系列工作。论文的主要研究内容与结果如下:（1）使用工艺简单的固相合成法成功地制备了一系列Cr3+离子掺杂的BaMSi3O9（M=Zr,Sn,Hf）近红外发光材料。在蓝光激发下,BaMSi3O9:Cr3+荧光粉可产生650-1200 nm的宽带近红外光,发射峰值波长均大于800 nm,半高宽超过155 nm。Cr3+离子在BaZrSi3O9、BaSnSi3O9和BaHfSi3O9基质中的最佳掺杂浓度分别被确定为0.5%,1%,3%。优化后的荧光粉具有良好的热稳定性,在125℃时,其发光强度可保持室温下初始强度的66%左右。使用BaMSi3O9:Cr3+荧光粉和蓝光LED芯片组合封装了近红外LED发光器件,在320 mA的驱动电流下,封装的近红外LED的最大输出功率达到了 12.2 mW。利用自制的近红外LED作为光源,成功实现了夜视监测、水果的无损检测以及人体手指和手臂的血管成像等应用,证明了 BaMSi3O9:Cr3+发光材料作为高效光转换层应用于近红外LED发光器件的潜力。（2）成功合成了 一系列Na3ScSi3O9:Cr3+近红外荧光粉。在蓝光激发下,Na3ScSi3O9:Cr3+荧光粉可产生650-1350 nm的宽带近红外发射,发射峰值位于898 nm,半峰宽为247 nm。探究了 Cr3+离子在Na3ScSi3O9中的最佳掺杂浓度和荧光粉的热稳定性能。此外,采用阳离子无序化策略,通过Na/Li取代,实现了材料的峰值波长在850-898 nm范围内的可调谐发射。相比于Na3ScSi3O9:Cr3+材料,当Li含量为0.5时,所得到的Na2.5Li0.5SCSi3O9:Cr3+材料的整体发光强度提高了约4.2倍,热稳定性也得到显著提升。在此基础上,通过Yb3+离子,利用Cr3+→Yb3+之间的高效能量传递,合成了一系列Na2.5Li0.5ScSi3O9:Cr3+,Yb3+宽带近红外发光材料并详细研究了其发光性能。在蓝光激发下,Na2.5Li0.5ScSi3O9:2%Cr3+,0.5%Yb3+材料可以同时产生Cr3+与Yb3+的特征发射,发射带的半高宽被拓展至234 nm,实现了超宽带近红外光发射。同时,在高Yb3+掺杂浓度（7%）时,荧光粉可被蓝光高效激发且产生900-1150 nm的短波红外发射。在加入Yb3+之后,Na2.5Li0.5ScSi3O9:Cr3+,Yb3+的热稳定可达到64%@125℃。基于两种可被蓝光激发的近红外超宽带荧光粉（Na2.5Li0.5ScSi3O9:2%Cr3+,0.5%Yb3+）和短波红外荧光粉（Na2.5Li0.5ScSi3O9:2%Cr3+,7%Yb3+）,封装了两种红外LED发光器件,并对它们的发光性能进行了详细研究。最后,使用自制的红外LED进行了一系列夜视监测、无损监测、生物组织成像、信息识别等应用,并取得了令人满意的效果,展示了 Na2.5Li0.5ScSi3O9:Cr3+,Yb3+荧光粉的重要应用前景。本工作为优化Cr3+离子掺杂宽带发光材料的发光性能提供了一种有效的途径。
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