Извлечение энергии из «тёмного» Fe3+ в A2Sc2B4O11:Fe3+, Yb3+ (A = Sr, Ba) для усиленного NIR‑люминесцентного свечения и pc‑LED‑источника света для многофункциональных применений

Невидимый свет с повседневными приложениями

Многие технологии, на которые мы полагаемся — от приборов ночного видения до сканеров продуктов в супермаркетах — используют свет, который наши глаза не видят: ближний инфракрасный (NIR) диапазон. В этой работе представлен новый класс экологичных материалов, преобразующих безвредный ультрафиолет от стандартных светодиодных чипов в интенсивное NIR‑излучение. Поскольку эти материалы избегают токсичных элементов и эффективно работают даже при повышенных температурах, они могут помочь создать более безопасные, дешёвые и универсальные инфракрасные источники света для медицины, контроля качества продуктов и промышленного зондирования.

Почему NIR‑свет важен

NIR‑свет, находящийся чуть за красным краем спектра, проникает глубже во многие материалы, чем видимый свет, и сильно поглощается определёнными химическими связями в воде, жирах и других органических молекулах. Это делает его идеальным для задач вроде видения сквозь туман, проверки степени зрелости фруктов без их разрезания, визуализации кровеносных сосудов под кожей или анализа состава жидкостей. Сегодня многие NIR‑источники опираются на раскалённые нити или лазеры, которые могут быть громоздкими, неэффективными или дорогими. Фосфор‑конвертированные светодиоды предлагают компактную альтернативу: стандартный LED‑чип возбуждает специальный порошок (фосфор), который затем переизлучает свет на более длинных длинах волн. Но существующие NIR‑фосфоры часто содержат хром — металл, который может переходить в высокотоксичную форму при окислении, — либо редкоземельные ионы, которые слабо поглощают свет для многих практических устройств.

Превращение «поглотителя» света в его источник

Железо в состоянии Fe3+ распространено и необходимо для жизни, но во многих оптических материалах оно действует как «гаситель» света, отбирая энергию у соседних эмиттеров. Авторы этой работы меняют эту роль. Они разработали кристаллическую матрицу на основе стронция или бария, скандия, бора и кислорода (обозначаемую A2Sc2B4O11, где A = Sr или Ba), в которую целенаправленно вводят небольшие количества Fe3+. В этой решётке ионы железа занимают плотные октаэдрические позиции, окружённые кислородом. Под ближним ультрафиолетовым светом обычных LED‑чипов (примерно 355–370 нм) переходы заряд‑переноса от кислорода к железу позволяют ионам Fe3+ сильно поглощать свет. Затем железо испускает очень широкое NIR‑излучение с максимумом около 930–975 нм, с шириной спектра, достаточной для покрытия части так называемого окна NIR‑II, особенно полезного для глубокой биологической визуализации.

Усиление излучения с помощью вспомогательного иона

Сами по себе эти фосфоры на основе железа всё ещё теряют значительную часть поглощённой энергии: многие центры Fe3+ остаются «тёмными», передавая энергию дефектам или рассеивая её в виде тепла вместо света. Чтобы исправить это, исследователи вводят второй компонент — иттрийбие (Yb3+) — в те же кристаллические позиции. Yb3+ — простой и очень эффективный NIR‑эмиттер с собственной линией около 1000 нм. В ко-допированном материале ультрафиолет сначала собирает сеть ионов железа, а затем энергия передаётся соседним ионам Yb3+. Важно, что ионы иттербия физически прерывают цепочки близко расположенных ионов железа, которые в противном случае отводили бы энергию в нехирадиативные потери. Такое «извлечение энергии» из тёмных центров Fe3+ в яркие центры Yb3+ увеличивает общую NIR‑яркость примерно до 160 раз и смещает основное излучение к ≈1000 нм — особенно полезной области для зондирования и визуализации.

Стабильное излучение при рабочих температурах

Для любого светового материала важна работа при повышенных температурах не меньше, чем абсолютная яркость, поскольку корпуса светодиодов нагреваются при работе. Авторы показывают, что фосфоры, содержащие только железо, сохраняют лишь около трети своей яркости при комнатной температуре, когда нагреваются до 100 °C (373 K). Однако после добавления Yb3+ ко‑допированные фосфоры удерживают более 60% яркости при той же температуре. Такое улучшение объясняется тем, что электроны иттребия лучше экранированы от колебаний кристаллической решётки, чем электроны железа, и потому менее чувствительны к нагреву. Снижение яркости с температурой происходит плавно и предсказуемо, что позволяет использовать тот же материал в роли встроенного термометра: измеряя интенсивность NIR‑излучения, можно судить об рабочей температуре устройства с относительной чувствительностью примерно 1,5% на кельвин вблизи 150 °C.

От лабораторного порошка до практических устройств

Чтобы продемонстрировать практический потенциал, команда нанесла оптимизированный фосфор Sr2Sc2B4O11:Fe3+,Yb3+ на коммерческий LED‑чип с длиной волны 365 нм, создав компактную NIR‑лампу. Этот прототип даёт широкое излучение примерно в диапазоне 850–1150 нм и становится ярче при увеличении тока. В тестовых сценах, записанных камерой, чувствительной к NIR, лампа выявляет электронные структуры внутри непрозрачной карты, подчёркивает поверхностные дефекты на яблоках, которые трудно заметить в видимом свете, и очерчивает кровеносные сосуды внутри человеческого пальца. Она также пригодна в качестве источника света для спектроскопии: проходя через смеси воды и спирта, устройство фиксирует тонкие изменения в NIR‑полосах поглощения, связанных с O–H и C–H связями, что позволяет оценивать содержание воды по изменениям передаваемой интенсивности.

Что это значит для будущего инфракрасного освещения

Проще говоря, эта работа демонстрирует, что безопасный и широко доступный элемент — железо — может быть превращён из помехи в мощный источник невидимого света, если поместить его в подходящую кристаллическую среду и грамотно сочетать с иттребием. Полученные порошки поглощают свет от стандартных ультрафиолетовых светодиодов и преобразуют его в сильное, широкополосное NIR‑свечение, которое остаётся ярким при реальных рабочих температурах устройств. Благодаря способности поддерживать функции ночного видения, неразрушающего контроля качества продуктов, биомедицинской визуализации и химического анализа, эти ко‑допированные фосфоры Fe3+/Yb3+ прокладывают путь к новому поколению компактных, эффективных и экологичных инфракрасных источников света.

Цитирование: Yu, D., Liu, H., Lv, M. et al. Energy extraction from dark Fe³⁺ in A₂Sc₂B₄O₁₁:Fe³⁺, Yb³⁺ (A = Sr, Ba) toward promoted NIR luminescence and pc-LED light source for multifunctional applications. Light Sci Appl 15, 229 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02284-8

Ключевые слова: светоизлучающие светодиоды ближнего инфракрасного диапазона, люминесцентные фосфоры, материалы, легированные железом, перенос энергии, спектроскопическое зондирование