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江西理工大学：共熔法与可控晶化制备宽带高效近红外发光MgNb2O6:Cr3+透明玻璃陶瓷精选

已有 10570 次阅读 2026-9-22 10:26 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Huang J, Shi P, Lin J, et al. Broadband-NIR Luminescent MgNb2O6:Cr3+ transparent glass ceramics fabricated by co-melting and controlled crystallization. Journal of Advanced Ceramics 2026. https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221371

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221371

ResearchGate：Broadband-NIR Luminescent MgNb₂O₆:Cr³⁺ transparent glass ceramics fabricated by co-melting and controlled crystallization

基金支持：国家自然科学基金（52062017）、江西省自然科学基金委员会（20232BAB204013）

一、导读

高功率近红外 LED 受困于热积累和光散射，传统荧光粉封装难以兼顾透明与抗猝灭。本研究提出传统玻璃基体与目标晶相的原料共熔—可控结晶策略，通过调控Mg/Nb比及两步热处理，在玻璃中析出单一MgNb₂O₆晶相并实现Cr³⁺双格位掺杂。所得玻璃陶瓷在600–1300 nm宽带发射（FWHM=210 nm），外量子效率18.3%，373 K下发光保留67.5%。封装器件输出240.9 mW（500 mA），转换效率6.3%，在夜视、生物检测和防伪领域具有应用潜力。

二、研究背景

宽带近红外（NIR）光源在生物医学、食品安全和夜视等领域需求迫切，NIR荧光转换LED（pc‑LED）因高效紧凑而备受关注。然而，传统“荧光粉+聚合物”封装存在两大瓶颈：折射率失配导致严重光散射（700–1000 nm透过率＜10%），聚合物导热差引发热积累，致使器件输出功率和可靠性大幅下降。玻璃陶瓷（GC）兼具晶相发光优势与玻璃高热导、高透明特性，是理想替代方案。但现有Cr³⁺掺杂铌酸盐GC研究缺乏组分设计依据，难以实现单一晶相可控析出，且晶粒粗化和折射率失配严重制约透明度。为此，本工作提出共熔‑可控结晶策略，通过精确调控Mg/Nb比和两步热处理，旨在实现MgNb₂O₆（MNO）单相均匀析出，同时兼顾透明度和热稳定性，为高功率NIR光源用GC材料提供新路径。

三、文章亮点

（1）提出“原料共熔-可控结晶”新路径，通过精确调控Mg/Nb计量比和两步热处理，在玻璃基体中成功实现单一MgNb₂O₆晶相的可控析出，有效避免了杂相生成，解决了传统GC晶相难以选择的问题。

（2）Cr³⁺同时占据Mg²⁺和Nb⁵⁺八面体格位，分别处于中等和弱晶体场环境，产生覆盖600–1300 nm的宽带近红外发射（FWHM=210 nm），且电子–声子耦合适中（Huang-Rhys因子5.43），为高效发光奠定了基础。

（3）成功演示该NIR光源在夜视照明、人体血管成像、芯片防伪识别，尤其是食品内部检测（蓝莓品质）等领域的直观效果，为生物医学、食品安全和安防监控提供了新型紧凑型光源解决方案。

四、研究结果及结论

本研究设计43SiO₂–xMgO–(42−x)Nb₂O₅–15Na₂O–0.1Cr₂O₃ (x=12, 16, 20, 24)系列前驱体玻璃，通过“原料共熔-可控结晶”的方法，成功制备了MNO:Cr³⁺透明玻璃陶瓷。通过调节前驱玻璃中Mg/Nb比至目标相MgNb₂O₆的化学计量比，成功实现了单一晶相的可控析出，有效避免了Nb₂O₅等杂相。优化后的玻璃组成经两步热处理（成核730 ℃、晶化940 ℃）可获得均匀分布的微晶，兼具较高透光率和良好结晶度。Cr³⁺掺杂不改变主晶相，可同时取代Mg²⁺和Nb⁵⁺六配位位点，但过量掺杂会提高结晶活化能、抑制离子迁移，从而降低结晶程度。

图1 玻璃的性质与晶体结构及实物图

两步热处理的GCM940样品相较于直接热处理样品，微观结构显著优化。一步法所得GC-M12晶粒粗大且团聚严重，GC-M24虽晶粒减小但尺寸不均，二者均因散射而透光率较低。而GCM940经成核-晶化后，晶粒细小（平均1.69 μm）且分布均匀，有效减弱了光散射，提升了透光性。EDS面扫显示Mg、Nb、O、Cr分布均匀，且摩尔比接近MgNb₂O₆化学计量，证实目标晶相成功析出。

图2 玻璃陶瓷微观结构及元素分布分析

Cr³⁺掺杂MNO玻璃陶瓷的光谱与结构分析表明，存在两个不同的发射中心（Cr(1)和Cr(2)），分别对应Nb⁵⁺位和Mg²⁺位取代。激发光谱和发射光谱显示，422 nm激发下以701/724 nm发射（Cr(1)，中间晶场，Dq/B=2.41）和852 nm发射（Cr(2)，弱晶场，Dq/B=2.23）并存，归因于Cr³⁺同时占据两种六配位格位以实现电荷平衡。Rietveld精修证实，Cr³⁺掺杂后Mg-O键缩短、Nb-O键增长，晶胞体积略减，表明Cr³⁺进入晶格并引起局部畸变；荧光寿命差异进一步佐证双中心。XPS确认Cr为+3价，无价态变化。

图3 Cr³⁺在MgNb₂O₆中占位分析

通过系统调控成核温度（670–750 ℃）、结晶温度（820–960 ℃）及Cr³⁺掺杂量（0.05–0.2 mol%），研究了MgNb₂O₆透明玻璃陶瓷的发光与透光性能。结果表明：随成核温度升高，结晶度增加，发光强度略增但透光率从~70%降至~50%，综合优选730 ℃/12 h。结晶温度升高使发光强度近线性增大（960 ℃达最大），但透光率由80%降至40%，且吸收边红移；经450 nm蓝光芯片封装后，GCM940的近红外光占比最高，兼顾了蓝光利用与NIR散射损失。Cr³⁺浓度增至0.1 mol%时发光最强，继续增加则因电偶极相互作用发生浓度猝灭，且发射峰红移至874 nm。最终确定最佳热处理工艺为730 ℃成核+940 ℃晶化，Cr³⁺掺杂0.1 mol%，该条件下可获得发光与透光性能最优的玻璃陶瓷。

图4 玻璃陶瓷发光特性分析

制备的GCM940玻璃陶瓷在452 nm激发下呈现210 nm宽带近红外发射（峰值852 nm），内/外量子效率分别为30.2%和18.3%，归因于微米级晶粒引起的低光散射（吸收率达60.5%）。其相对良好的热猝灭抗性（373 K保留67.5%，423 K保留51.9%，激活能0.22 eV），来源于材料的中等电子-声子耦合（Huang-Rhys因子S=5.43）及高结构刚性（德拜温度566.3 K，维氏硬度7.78~8.65 GPa）。荧光寿命随Cr³⁺浓度增加（0.05→0.2 mol%）从47.2降至44.1 μs，符合浓度猝灭机制。

图5 玻璃陶瓷性能分析

将MNO:Cr³⁺ GC与450 nm蓝色LED芯片封装时，NIR GC-LED在500 mA驱动下获得240.9 mW的输出功率，功率转换效率为6.3%~8.1%，该器件在夜视照明、生物医学（如手部血管成像）、防伪识别（如芯片卡内部结构）、尤其是食品检测（如蓝莓内部品质鉴别）等应用中展现出清晰的可视化效果。

图6 NIR GC-LED器件性能及应用

五、作者及研究团队简介

黄金亮（第一作者），江西理工大学碳中和学院硕士研究生。主要研究方向为无机光功能材料，特别是Cr³⁺掺杂发光玻璃陶瓷的开发与性能改进。

夏李斌（通讯作者），江西理工大学副教授、硕士生导师。主要研究领域为稀土荧光粉玻璃陶瓷/陶瓷，近红外荧光材料的制备及其性能调控，主持了国家自科基金、江西自然科学基金、省教育厅科学技术项目等课题6项，发表SCI\EI收录学术论文20余篇，获批国家专利2项。

E-mail addresses: tea_xia@126.com

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社有限公司出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2026年6月发布的影响因子为14，连续6年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科34种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2026年入选北京市支持高水平国际科技期刊建设（强刊提升）项目。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社有限公司自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。