通过调节Mn2+和Cr3+之间的超高能量转移，优化Mn-Cr共掺杂Sr2MgAl22O36荧光体的发光特性，以应用于白色发光二极管（WLED）

《Journal of Magnesium and Alloys》：Tuning the luminescence properties of Mn-Cr codoped Sr2MgAl22O36 phosphors via ultrahigh energy transfer between Mn2+ and Cr3+ for WLED applications

高效能源传输通道构建使SMAO:Cr3+量子效率提升至70.04%，Mn2+共掺杂实现热稳定性维持（150℃发光强度保持74.54%），最终制备出CRI 92.4、发光效率11.78 lm/W的白光LED。

　　

朱启瑞|刘兆江|董玉娟|蔡成宇|刘晓怡

渤海大学材料与环境工程学院，锦州，121000，中国

摘要

构建高效的能量传输通道被认为是提高WLED应用中荧光特性的有效方法。在Sr₂MgAl₂₂O₃₆:Cr³⁺（SMAO:Cr³⁺）中，我们建立了Mn²⁺与Cr³⁺之间的高效能量传输通道，使Cr³⁺离子的量子效率翻倍。通过共掺杂Mn²⁺离子，能量传输效率进一步提高，将单掺杂Cr³⁺离子的量子效率从37.98%提高到了70.04%。这种高效的能量传输归因于Mn²⁺和Cr³⁺离子之间的电子能级重叠所导致的能量传输（ET）机制。此外，在150°C时的发光强度保持在室温下的74.54%。最终制备的白光LED（采用SMAO: 35%Mn²⁺, 0.3%Cr³⁺）具有92.4的高显色指数（CRI）和11.78 lm/W的发光效率。

引言

社会经济的快速发展对能源和自然资源造成了巨大压力，引发了日益严重的环境和能源危机。[1],[2],[3],[4],[5],[6]在照明领域，人工照明占全球电力消耗的约20%，其中大部分来自效率低下的白炽灯。[7]由于出色的性能特性，包括高能效、长寿命和可靠的操作性，磷光转换LED（pc-LED）引起了广泛的研究兴趣。这些优势使它们非常适合用于各种应用，如通用照明、显示技术、背光系统和医疗设备。特别是，它们的节能能力和环保特性使其成为现代照明和显示技术中的关键组成部分。白光LED（WLED）是pc-LED的一个典型例子，展示了其在不同应用中的潜力和有效性。[8],[9],[10],[11]目前主流的WLED采用蓝色氮化镓铟（GaInN）半导体芯片与掺铈的黄色钇铝石榴石（YAG: Ce）磷光体结合，表现出优异的发光性能。[12]然而，YAG: Ce磷光体的引入带来了诸如显色指数（CRI）低和相关色温（CCT）过高等问题。这些问题主要是由于光谱中缺乏红光发射。一种常见的方法是将三色（RGB：红、绿、蓝）磷光体与近紫外（near-UV）LED芯片结合，以产生高显色（Ra）和低CCT的暖白光。[13],[14],[15],[16],[17],[18],[19]然而，开发高发光效率的红光磷光体仍然是制造三色荧光材料的最大挑战。

最近，许多红色和深红色荧光材料被用于WLED中，例如SrLi₂Al₂O₂N₂: Eu²⁺、[20] MBe₂₀N₁₄: Eu²⁺（M = Sr, Ba）、[21] Na₂SiF₆: Mn⁴⁺、[22]、Tb_0.7La_0.3ZnAl₁₁O₁₉: Cr³⁺和ScBO₃: Cr³⁺。[25]然而，Eu²⁺掺杂的氮化物磷光体的合成面临高温高压条件的挑战，成本较高。相比之下，Mn⁴⁺掺杂的氟化物红光磷光体由于F^-离子的潜在污染而存在环境问题。因此，Cr³⁺掺杂的荧光材料被广泛使用，因为它们可以被紫外光激发并发出红光到近红外光。然而，至今尚未发现具有高量子效率的单一Cr³⁺掺杂红光磷光体。为了提高Cr³⁺离子的量子效率并拓宽其应用范围，通常利用原子间能量传输来增强其发光特性。Mn²⁺和Cr³⁺在电子结构和能级上非常匹配，满足能量传输的基本条件。此外，Mn²⁺-Cr³⁺共掺杂荧光材料中的Mn²⁺离子不仅提供了独特的发光特性，还通过能量传输和协同效应增强了磷光体的发光强度、调整了发光波长、提高了量子效率并增强了材料的稳定性。这些特性使得Mn²⁺-Cr³⁺共掺杂成为改善Cr³⁺离子发光性能的重要途径。[27]近年来，一些研究人员研究了Mn²⁺-Cr³⁺共掺杂荧光材料，但大多数研究仅利用其发光特性用于防伪应用或温度传感器。Mn²⁺与Cr³⁺之间的能量传输以改善发光特性的研究尚未开展。[28],[29],[30],[31],[32]

此外，SMAO作为一种有前途的基底，可用于单独掺杂Mn²⁺或Cr³⁺。例如，朱启瑞合成了掺Mn²⁺的窄带绿色磷光体，表现出宽的色域。[33]张等人成功制备了掺Cr³⁺的高灵敏度深红色发光磷光体。[34]基于此背景，本研究设计并制备了一系列SMAO: Mn²⁺, Cr³⁺磷光体，对其晶体结构、发光行为、浓度猝灭机制以及Mn²⁺到Cr³⁺的能量传输进行了全面研究。最终，可以使用这种磷光体与市售的蓝色（BaMgAl₁₀O₁₇: Eu²⁺）和绿色（(Sr, Ba)₂SiO₄: Eu²⁺）磷光体结合，制备出高性能的WLED。

章节片段

晶体结构和组成分析

图1(a)所示的晶体结构表明，Sr²⁺离子位于两个不同的晶体位置，分别称为Sr1和Sr2。Sr1与氧原子形成十二配位的二十面体多面体，而Sr2与氧原子形成九配位的三角棱柱多面体。铝原子占据八个不同的晶体位置，分别标记为Al1至Al8。在这种结构中，Al3、Al4和Al6位置

结论

在Mn²⁺-Cr³⁺共掺杂的SMAO磷光体中，成功实现了从Mn²⁺到Cr³⁺的超高效能量传输，从而实现了可调的发光颜色。通过对磷光体的微观结构和元素分布进行表征，并详细检查了其发光特性，确认了Mn²⁺和Cr³⁺的成功掺杂。从Mn²⁺到Cr³⁺

CRediT作者贡献声明

朱启瑞：撰写初稿、进行形式分析、构思。刘兆江：可视化处理、资源获取。董玉娟：撰写与编辑、监督、项目管理、构思。蔡成宇：实验研究。刘晓怡：方法学设计

未引用参考文献

[26]。

患者同意书

不适用

利益冲突

不存在需要声明的利益冲突。

资金来源的作用

作者声明本研究得到了辽宁省博士研究启动基金项目（2025-BS-0810）的支持。该资金来源未参与研究的设计、数据收集与分析、手稿撰写或文章发表决策。所有作者均未因撰写本文而收到任何制药公司或其他机构的报酬。作为通讯作者，我确认所有作者

利益冲突声明

?作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了辽宁省博士研究启动基金项目（2025-BS-0810）的支持。