综述：用于宽带发光二极管光源的近红外荧光粉的最新进展

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综述：用于宽带发光二极管光源的近红外荧光粉的最新进展

时间：2026年2月15日

来源：Journal of Rare Earths

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近红外发光材料研究系统综述了Eu²⁺、Cr³⁺、Ni²⁺、Mn²⁺和Fe³⁺等激活剂的光物理特性及优化策略，提出通过晶体场调控和能量传递机制实现光谱定制与效率提升，为下一代高稳定性NIR LED光源开发提供理论指导。

胡玉林|乔建伟|李德宏|高成彦|夏志国

太原理工大学物理与光电工程学院，中国太原 030024

摘要：

近红外（NIR）荧光粉已成为发光二极管（LED）光源系统的关键组成部分，这些系统应用于光子器件、生物医学成像和光谱分析等领域。本文系统地探讨了由关键激活剂（Eu²⁺、Cr³⁺、Ni²⁺、Mn²⁺和Fe³⁺）激活的宽带NIR荧光粉的最新进展，并从结构-性能关系的角度进行了分析。首先，我们阐明了基本的发光机制，对比了稀土离子的允许宇称的4f-5d跃迁与过渡金属离子的禁戒自旋的d-d跃迁。随后，本文重点介绍了调控发射波长、提高效率和增强热稳定性的关键策略，包括晶体位点工程、缺陷控制、能量转移以及基于机器学习的材料发现方法。比较分析显示，不同激活剂具有不同的特点：Eu²⁺具有强吸收能力，但难以实现长波长发射；Cr³⁺是高效的NIR-I发射剂，但吸收效率较低；Ni²⁺可实现宽带NIR-II发射，但难以用蓝光泵浦；Mn²⁺具有广泛可调的输出特性，但其发光机制较为复杂；Fe³⁺则是一种环保的替代选择。最后，我们提出了开发具有定制光谱特性和优异性能指标的下一代NIR LED光源的基本指导原则。

引言

近红外（NIR）光源主要根据光谱带宽分为窄带（半高宽FWHM < 50 nm）和宽带（FWHM > 50 nm）两种类型。窄带光源由于其固定的窄发射谱线，适用于需要精确波长定位的应用，如高分辨率光谱学。然而，这种特性使得它们不适合需要宽光谱覆盖范围的任务。宽带NIR光源凭借其宽光谱覆盖和深度穿透能力，在植物栽培、生物成像和无损检测等先进技术中变得不可或缺。其中，采用荧光粉转换的发光二极管（pc-LED）在成本效益、便携性和光谱可调性方面具有显著优势。然而，这些设备的性能受到现有发光材料固有局限性的制约，主要表现为量子效率低、热稳定性差以及发射波长和带宽受限。克服这些材料相关挑战至关重要，需要通过荧光粉设计方面的突破来实现高功率、高效且可定制光谱的NIR照明。

荧光粉是光转换系统的核心，通常由掺杂有激活剂离子的无机基质构成。激活剂离子决定了发光的基本性质，而基质晶场则通过调节这些性质起关键作用。NIR荧光粉的激活剂主要包括稀土离子（Pr³⁺、Nd³⁺、Tm³⁺、Yb³⁺和Eu²⁺）以及过渡金属离子（Cr³⁺、Ni²⁺、Mn²⁺和Fe³⁺）。这些激活剂可根据其电子跃迁类型进行分类。三价镧系元素（Pr³⁺、Nd³⁺、Tm³⁺和Yb³⁺）由于4f轨道受到5s²和5p⁶电子的有效屏蔽，表现出尖锐的4f-4f跃迁，导致其窄带发射对晶场不敏感，从而限制了光谱可调性。相比之下，Eu²⁺的4f-5d跃迁允许宇称转换，具有强吸收和高发光效率，因此在可见光荧光粉中得到广泛应用。然而，Eu²⁺掺杂系统在实现高效近红外发射方面仍面临挑战，主要是4f⁷和4f⁶5d¹能级之间的较大能隙（约4.2 eV）限制了发射光谱向更长波长的扩展。

过渡金属离子（Cr³⁺、Ni²⁺、Mn²⁺、Fe³⁺）因其特有的d-d跃迁而成为研究热点，这些跃迁天然支持宽带近红外发射。Cr³⁺因蓝光激发性和高内量子效率（IQE）而被认为是理想的NIR发射剂，但其实际应用受限于低外量子效率（EQE）和Cr⁶⁺离子的负面影响。Ni²⁺在NIR-II区域实现最宽的发射波长，但存在辐射效率低和与商用蓝光泵浦源不兼容的问题。Mn²⁺在可见光到近红外波长范围内具有独特的可调性，但其发展受到效率有限和发光机制不明确的影响。Fe³⁺是一种环保的替代品，但目前其应用仍依赖于紫外（UV）激发而非更理想的蓝光。如图1所示，当前宽带NIR荧光粉的发展主要受五种关键激活剂离子的支配：Eu²⁺、Cr³⁺、Ni²⁺、Mn²⁺和Fe³⁺。通过策略性地利用这些激活剂的独特和互补的光物理特性，研究人员正在推动复杂照明系统的发展，以应用于生物医学成像、光谱分析等多个领域。

尽管人们努力开发具有高效率和优异热稳定性的宽带NIR荧光粉，但该领域仍存在碎片化现象，缺乏系统比较不同激活剂离子的发光机制、性能和设计策略的综合性综述。建立一个能够系统比较各种NIR发光激活剂的综合框架是该领域亟待满足的需求。为此，本文总结了基于关键稀土（Eu²⁺）和过渡金属（Cr³⁺、Ni²⁺、Mn²⁺、Fe³⁺）激活剂的宽带NIR发光材料的最新进展。我们从结构-性能关系的角度出发，重点讨论了材料的设计策略，以调控发射和激发波长、拓宽发射带宽，并提高发光效率和热稳定性。