Neighboring Cation Co‐Substitution Engineering Strategy for Synergistic Energy Transfer for Efficient Broadband Near‐Infrared Luminescence in Lu 3‐x Ca x Al 5‐x Si x O 12 :Ce 3+ , Cr 3+

荧光粉 材料科学 光致发光 发光 量子效率 结构精修 光电子学 荧光 发射强度 量子产额 八面体 顺磁性 分析化学(期刊) 太阳能电池 太阳能电池效率 宽带 晶体硅 发射光谱 电子转移
作者
Haoyang Wang,Zhezhe Su,Takatoshi Seto,Yuhua Wang
出处
期刊:Advanced Optical Materials [Wiley]
卷期号:14 (5)
标识
DOI:10.1002/adom.202502975
摘要

Abstract Despite significant progress in the development of Cr 3+ ‐activated near‐infrared (NIR) phosphors, achieving highly efficient, thermally stable, and cost‐effective NIR phosphors remains a challenge. In this work, the Lu 3‐x Ca x Al 5‐x Si x O 12 :0.05Cr 3+ (CaxLAS:0.05Cr 3+ , 0 ≤ x ≤ 1.5) solid‐solution phosphors are synthesized through neighboring cation co‐substitution (Lu 3+ + Al 3+ → Ca 2+ + Si 4+ ). Structural Rietveld refinement, electron paramagnetic resonance, and fluorescence decay analyses confirm that the co‐substitution indirectly relaxes the [(Al/Cr)O 6 ] octahedral framework, enabling a dramatic transition in Cr 3+ emission from deep‐red sharp‐line spectra (687 nm) to broadband NIR emission (766 nm), while the full width at half maximum broadens from 25 to 172 nm. Notably, the external quantum efficiency (EQE) increases from 4.52% to 23.5%. These are attributed to the change in the mode of transition from the spin‐forbidden 2 E g → 4 A 2g to the spin‐allowed 4 T 2g → 4 A 2g and the formation of Cr 3+ pairs. Furthermore, by introducing Ce 3+ as a sensitizer, an EQE of 45.6% is achieved in the optimized Ca1.5LAS:0.08Ce 3+ ,0.05Cr 3+ composition. The phosphor retains 69.5% of its initial photoluminescence intensity at 427 K, demonstrating good thermal stability. This work not only develops a high‐performance solid‐solution phosphor for applications in non‐destructive testing and silicon solar cell efficiency enhancement but also highlights strategic approaches for advancing NIR phosphor design.
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