一种短波红外荧光陶瓷及其制备方法和应用

本发明涉及荧光陶瓷制备，具体而言，涉及一种短波红外荧光陶瓷及其制备方法和应用。

背景技术：

1、荧光成像凭借其检测灵敏度高、经济便捷、无辐射危害等优点，已成为生物医学应用中的重要技术之一。其中，可见光-近红外荧光成像易受到光的穿透能力有限、组织自体荧光干扰等因素影响，而近年发展起来的短波红外(1000～1700nm)荧光成像由于具有更深的穿透深度、更高的成像分辨率和灵敏度、更低的背景噪音和更高的信噪比，正被视为最具潜力的下一代荧光成像技术。

2、短波红外光源是该技术不可或缺的组成部分。相比于白炽灯、卤素灯、短波红外led以及短波红外激光器等光源，荧光转换型led具有价格低、光谱可调性高、可小型化等优点，但是目前短波红外发光材料面临着量子效率低、荧光热稳定差、物理化学稳定性等问题。如非专利文献(jin,s.,li,r.,huang,h.et al.compact ultrabroadband light-emitting diodes based on lanthanide-doped lead-free double perovskites.lightsci appl11,52(2022).)公布了组成为bi/er:cs2agincl6的荧光玻璃，其在350nm光激发下发射近红外光的量子效率仅为45.6％；又如非专利文献(zhang,g.,dang,p.,lian,h.,xiao,h.,cheng,z.,lin,j.(2022).er3+/yb3+-based halide double perovskites withhighly efficient and wide ranging antithermal quenching photoluminescencebehavior for light-emitting diode applications.laser&photonics reviews,16(8),2200078.)公布了一种在379nm紫外光激发下发射nir-ii近红外光，组成为cs2naercl6的荧光材料，其内量子效率仅4％。此外，短波红外荧光粉(例如中国发明专利cn115558491b一种宽带短波红外荧光粉及其制备方法和发光器件)需要采用有机树脂或硅胶进行封装。由于蓝光-短波红外光谱转换过程会不可避免地产生巨大热量，而有机材料的物理化学稳定性差且热导率低，因此这类有机-无机复合荧光转换体无法应用于高功率发光器件，且现有技术在制备短波红外荧光陶瓷时的步骤较为繁琐，制备过程效率较低，需要高压、高真空等条件。

3、因此，开发量子效率高、热稳定好的全无机短波红外荧光转换体对于获得高功率短波红外光源具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明要解决的其中一个技术问题是提供一种短波红外荧光陶瓷，以解决现有技术的短波红外荧光陶瓷量子效率低、热稳定差、物理化学稳定性差的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种短波红外荧光陶瓷，所述的短波红外荧光陶瓷的化学组成为y2-z(ca1-xmx)al4-ysio12:ycr3+,zer3+；其中，m为mg、sr、ba元素中的一种或多种，且所述参数x、y、z满足以下条件：

3、0.0≤x≤1.0，0.01≤y≤0.2，0.05≤z≤0.5。

4、在一种可能的实施方式中，所述短波红外荧光陶瓷在蓝光激发下，可发射波长范围为1400～1700nm的短波近红外光。

5、在一种可能的实施方式中，0.0≤x≤0.5，0.01≤y≤0.1，0.05≤z≤0.5。

6、在一种可能的实施方式中，0.3≤x≤0.5，0.05≤y≤0.1，0.05≤z≤0.4。

7、在一种可能的实施方式中，0.3≤x≤0.4，0.08≤y≤0.1，0.1≤z≤0.3。

8、相较于现有技术，本发明提供了一种透过率高、发射光谱覆盖范围广且量子效率高、热稳定性优异的近红外荧光陶瓷。

9、本发明要解决的第二个技术问题是提供一种短波红外荧光陶瓷的制备方法，以解决现有技术在制备短波红外荧光陶瓷时的步骤较为繁琐、制备过程效率较低且需要高压、高真空条件的问题。

10、为了解决上述问题，本发明提供了一种所述短波红外荧光陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

11、s1：按照所述的化学组成及计量比，称取含有y、ca、m、al、si、cr、er元素的化合物作为原料，其中，所述化合物为氧化物、硝酸盐、卤化物和碳酸盐中的一种或多种，其中，m元素为mg、sr、ba中一种或多种，随后将原料混合后得到均匀混合物；

12、s2：将所述步骤s1得到的均匀混合物在1500～2000℃下进行熔融处理，随后冷却制得透明玻璃样品；

13、s3：将所述步骤s2所得的透明玻璃样品放入通有气氛的管式炉中，在常压下于900～1300℃下进行热处理，依次经冷却和打磨抛光后得到短波红外荧光陶瓷。

14、相较于现有技术，本发明提供了一种所述短波红外荧光陶瓷的制备方法，本发明的制备工艺简单、高效，且不需要高压、高真空等极端条件，能够在常压下通过玻璃晶化的方法制备出近红外荧光陶瓷。

15、本发明通过将原材料制备成玻璃让元素在高温下进行原子尺度上的混合，随后高度均质化的玻璃通过晶化可得到所含晶粒表面缺陷较少的透明荧光陶瓷。由于发光猝灭中心的减少，cr3+–er3+间的高效能量传递可有效提升短波近红外荧光陶瓷的发光性能。

16、在一种可能的实施方式中，所述步骤s3中，所述热处理的时间为2～12h。

17、在一种可能的实施方式中，所述步骤s3中，所述热处理的时间为4～10h。

18、在一种可能的实施方式中，所述步骤s3中，所述气氛为氮气和氢气混合气、氩气和氢气混合气以及一氧化碳中的至少一种。

19、本发明要解决的第三个技术问题是提供一种短波红外荧光陶瓷的应用，且所述应用为将短波红外荧光陶瓷应用于短波红外发光装置中，以解决现有技术短波红外荧光陶瓷(包括发光装置)在应用中需要采用有机树脂或硅胶对荧光陶瓷粉体进行封装的问题，通过本发明的短波红外荧光陶瓷，可以更好地解决同组分粉体材料无法应用于高功率发光器件上的缺陷。

20、为了解决上述问题，本发明提供了一种短波红外荧光陶瓷的应用，所述应用包括将所述短波红外荧光陶瓷应用于短波红外发光装置中。

21、在一种可能的实施方式中，所述短波红外发光装置包含激发光源及发光层，所述激发光源为蓝光led芯片、激光二极管或有机el发光器件，所述发光层包括所述短波红外荧光陶瓷；所述发光装置通过将所述近红外荧光陶瓷直接覆盖在所述激发光源上所制备而成。

22、相较于现有技术，本发明的短波红外荧光陶瓷，在应用于短波红外发光装置中时，可以不使用固化胶，即可直接与高功率led/ld等固态激发光源组合封装出高功率近红外发光器件；通过本发明上述应用制备得到的发光装置有效解决了传统粉体封装装置中有机固化胶在led芯片长期高温工作中易老化而引发发光性能下降的问题。

技术特征：

1.一种短波红外荧光陶瓷，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的短波红外荧光陶瓷，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的短波红外荧光陶瓷，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的短波红外荧光陶瓷，其特征在于，所述短波红外荧光陶瓷在蓝光激发下，可发射波长范围为1400～1700nm。

5.一种权利要求1-4任意一项所述短波红外荧光陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述短波红外荧光陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中，所述热处理的时间为2～12h。

7.根据权利要求5所述短波红外荧光陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中，所述热处理的时间为4～10h。

8.根据权利要求5所述短波红外荧光陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中，所述气氛为氮气和氢气的混合气、氩气和氢气的混合气以及一氧化碳中的至少一种。

9.一种短波红外荧光陶瓷的应用，其特征在于，所述应用包括将所述权利要求1-4任意一项短波红外荧光陶瓷应用于短波红外发光装置中。

10.根据权利要求9所述短波红外荧光陶瓷的应用，其特征在于，所述短波红外发光装置包含激发光源及发光层，所述激发光源选自蓝光led芯片、激光二极管或有机el发光器件中的一种，所述发光层包括所述短波红外荧光陶瓷；所述发光装置通过将所述近红外荧光陶瓷直接覆盖在所述激发光源上所制备而成。

技术总结
本发明提供了一种短波红外荧光陶瓷及其制备方法和应用，所述的短波红外荧光陶瓷的化学组成为Y<subgt;2‑z</subgt;(Ca<subgt;1‑x</subgt;M<subgt;x</subgt;)Al<subgt;4‑y</subgt;SiO<subgt;12</subgt;:yCr<supgt;3+</supgt;,zEr<supgt;3+</supgt;；其中，M为Mg、Sr、Ba元素中的一种或多种。所述制备方法包括以下步骤：S1：按照化学组成及计量比，称取含有Y、Ca、M、Al、Si、Cr、Er元素的氧化物、硝酸盐、卤化物或碳酸盐作为原料，其中，M元素为Mg、Sr、Ba中一种或多种，随后将原料混合后得到均匀混合物；S2：将均匀混合物进行熔融处理，随后冷却制得透明玻璃样品；S3：将透明玻璃样品放入通有气氛的管式炉中，在常压下于900～1300℃下进行热处理，依次经冷却和打磨抛光后得到短波红外荧光陶瓷。本发明制备的短波红外荧光陶瓷透过率高、发射光谱覆盖范围广，同时发光量子效率高、热稳定性优异。

技术研发人员：杨蕾,刘津维,郑国君,肖文戈,邱建荣
受保护的技术使用者：宁波大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23