在 A2Sc2B4O11:Fe3+, Yb3+ (A = Sr, Ba) 中从暗 Fe3+ 提取能量：推动近红外发光与用于多功能应用的磷光转换 LED 光源

不可见光的日常用途

我们依赖的许多技术——从夜视摄像机到超市的食品扫描仪——都使用我们肉眼看不到的光：近红外（NIR）光。本研究报道了一类新型环保材料，可将常见 LED 芯片发出的无害紫外光转换为强大的近红外光。由于这些材料避开有毒元素并能在高温下高效工作，它们有望用于制造更安全、更便宜且更通用的红外灯，用于医疗、食品安全和工业传感等领域。

为什么近红外光重要

近红外光位于可见光谱的红端之外，比可见光能更深地穿透许多材料，并且会被水、脂肪和其他有机分子中的特定化学键强烈吸收。这使其非常适合用于穿透雾气、无需切开即可检测水果是否成熟、成像皮下血管或分析液体成分等任务。如今，许多近红外光源依赖热丝或激光器，这些设备可能体积大、效率低或成本高。磷光转换 LED 提供了一种紧凑的替代方案：标准 LED 芯片激发一种特殊粉末（荧光粉），该粉末随后在更长波长处再发射光。但现有的 NIR 荧光粉常常使用铬——一种可能氧化成高毒性形态的金属——或吸收光线太弱而不适于许多实际设备的稀土离子。

将铁从“夺光者”变为“发光者”

三价铁（Fe3+）在自然中丰富且对生命必不可少，但在许多光学材料中它充当“猝灭剂”，抢走邻近发射体的能量。本工作团队颠覆了这一角色。他们设计了一种以锶或钡、钪、硼和氧构成的晶体宿主（写作 A2Sc2B4O11，A = Sr 或 Ba），并在其中有意引入少量 Fe3+。在该宿主中，铁离子位于被氧包围的紧密八面体位置。在常见 LED 芯片发出的近紫外光（约 355–370 纳米）照射下，氧到铁的电荷迁移跃迁使 Fe3+ 离子强烈吸收光。铁随后发射非常宽谱的近红外光，中心波长约在 930–975 纳米，谱带足够宽以覆盖部分被称为 NIR‑II 窗口的区域，该区域对深层生物成像尤其有用。

用辅助离子提升输出

单独的基于铁的荧光粉仍然在吸收的能量中浪费很多：许多 Fe3+ 离子保持“暗态”，将能量传给缺陷或以热能损失而非发光。为了解决这一问题，研究人员在相同晶体位点中引入第二种成分：镱（Yb3+）。镱是一个简单且高效的近红外发射体，其本征发射约在 1000 纳米左右。在共掺杂材料中，紫外光首先被铁网络捕获，然后传递到邻近的 Yb3+ 离子。更重要的是，镱离子在物理上打断了本会将能量导向非辐射损失的紧密排列的铁离子链。这种将能量“提取”自暗态 Fe3+ 中心并导入明亮的 Yb3+ 中心的过程，可使整体近红外亮度提高多达约 160 倍，并将主要发射移动到约 1000 纳米处——这一波段对传感和成像尤其有用。

在工作温度下保持稳定发光

对于任何照明材料而言，高温下的性能与原始亮度同等重要，因为 LED 封装在工作时会升温。研究人员表明，仅含铁的荧光粉在 100 °C（373 K）时仅保留室温亮度的大约三分之一。而在加入 Yb3+ 后，共掺杂荧光粉在相同温度下仍能保留超过 60% 的亮度。这一改善源于镱的电子比铁更加受到晶格振动的屏蔽，对加热的敏感性更低。亮度随温度下降的曲线平滑且可预测，使该材料可用作内置温度计：通过测量近红外发射强度，可以在约 150 °C 附近以大约 1.5%/K 的相对灵敏度推断器件的工作温度。

从实验室粉末到实用器件

为展示实际潜力，研究团队将优化后的 Sr2Sc2B4O11:Fe3+,Yb3+ 荧光粉涂覆在一颗商业 365 纳米 LED 芯片上，制成紧凑的近红外灯原型。该原型产生大约 850–1,150 纳米的宽谱发射，并随驱动电流增加而变亮。在用近红外敏感相机拍摄的测试场景中，该灯揭示了不透明卡片内部隐藏的电子结构，突显了在可见光下难以察觉的苹果表面缺陷，并勾勒出人体手指内的血管轮廓。它还可作为光谱学光源：穿透水和酒精混合物时，该装置能捕捉到与 O–H 和 C–H 键相关的近红外吸收带的细微变化，从透射强度的变化中估算水含量。

对未来红外照明的意义

通俗地说，这项工作表明，只要将铁置于合适的晶体环境并巧妙搭配镱，这种安全且丰富的元素就能从麻烦制造者转变为不可见光的强大引擎。所得粉末能吸收标准紫外 LED 的光并将其转换为强而宽的近红外发光，在现实器件温度下仍保持高亮度。凭借其支持夜视、无损食品检测、生物医学成像和化学分析的能力，这类 Fe3+/Yb3+ 共掺荧光粉为新一代紧凑、高效且环保的红外光源指明了方向。

引用: 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

关键词: 近红外 LED, 发光荧光粉, 掺铁材料, 能量传递, 光谱传感