Insight into Site Environment and Photoluminescence Properties of Cr3+-doped Gallogermanate Toward NIR pc-LEDs Applications

作者
Decai Huang,Jiaqing Peng,Zhihua Xiong
标识
DOI:10.21203/rs.3.rs-8234812/v1
摘要

Abstract Near-infrared phosphor-converted light-emitting diodes (NIR pc-LEDs) are promising for applications in spectroscopy and bioimaging. Typical NIR phosphor designs feature isolated Cr 3+ ion centers in octahedral crystallographic sites. However, it is challenging to design broadband NIR phosphors based on tetrahedral crystallographic sites or Cr 3+ − Cr 3+ pairs. Herein, we explore a series of Cr 3+ -doped gallogermanate Ga 6 Ge 2 O 13 (GGO) phosphors that feature both octahedral, tetrahedral crystal sites, as well as Cr 3+ − Cr 3+ pairs, and evaluate their structure-property relationships. Structural and spectroscopic analysis, including low-temperature (10 K) spectroscopy, X-ray absorption near-edge structure, and electron paramagnetic resonance, reveal multiple Cr 3+ emission centers in GGO — namely, octahedral, tetrahedral, and Cr 3+ − Cr 3+ pairs, resulting in NIR luminescence at approximately 650 − 1400 nm. Through Cr 3+ concentration engineering, the emission spectra of phosphors exhibit a remarkable redshift and an increase in their full width at half maximum. The optimized GGO:6% Cr 3+ exhibits satisfactory thermal stability (60% retention at 423 K) alongside outstanding absorption efficiency (69%) and external quantum efficiency (36%). The fabricated NIR-LED device delivers a high NIR output power of 55.59 mW at a driving current of 180 mA. This work provides deeper insight into the site environment of Cr 3+ ions in phosphors and, more specifically, demonstrates the potential of gallogermanates as promising host systems for NIR phosphors.
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