英文原题：Near-infrared Long Afterglow in Fe³⁺-activated Mg₂SnO₄ for Self-sustainable Night Vision

通讯作者：金亚洪，胡义华，广东工业大学；王锋，香港城市大学

作者：Minzhong Li，Yahong Jin*，Lifang Yuan，Bo Wang，Haoyi Wu，Yihua Hu*，Feng Wang*

近红外（NIR）发光材料因其广泛的应用，如夜视监控、健康监测、生物成像、医学治疗以及食品分析和安全等，而引起了人们的大量关注。在晶格中有目的地设计和制造合适的缺陷作为能量库是合成“光电池”材料一种有前景的策略。通过此方式，光发射可以在激发光源移除后持续数秒至数天，从而产生长余辉发光。可自维持的NIR发光光源提供了更多潜在的扩展应用，如高信噪比光学成像和成像制导治疗、光信息存储以及“全天候”工作系统。目前，关于近红外长余辉发光材料的研究主要集中在 Cr³⁺激活的荧光粉上。尽管该类材料表现出优异的长余辉特性，但三价铬离子易氧化成六价，对生物体和环境造成危害。因此，探索非Cr³⁺且具有高效近红外长余辉发光性能的材料具有重要意义。具有半填充电子组态 (d⁵) 的Fe³⁺是一种有前景的替代品，它在自然界中含量丰富，对环境无害且具有生物相容性。与Cr³⁺明显不同的是，由于暴露的 3d 轨道中的价电子容易受到局部环境的影响，Fe³⁺可以同时进入六配位和四配位而不会丧失光学活性，从而诱导可调谐发射。这为通过阳离子取代和局部晶体环境的调控来设计新型Fe³⁺掺杂的近红外长余辉材料提供了很大的可能性。合理设计新型高性能Fe³⁺掺杂近红外长余辉材料，并建立调控余辉发射的指导策略，具有重要的实践和理论意义。

近日，香港城市大学王锋，广东工业大学金亚洪、胡义华等在ACS Applied Materials & Interfaces上报道了一种由Fe³⁺掺杂锡酸镁基质的新型宽带近红外长余辉材料。如图1所示，Fe³⁺的近红外发射光谱由两个峰位分别在720和789 nm的发射谱叠加而成。这两个发射峰分别来自于占据八配位和四配位Fe³⁺的d-d跃迁。在紫外光的辐照下，部分激态电子被陷阱俘获，当撤去紫外光源，被俘获的电子主要通过隧穿返回到四配位Fe³⁺的激发态能级，从而形成了单峰（峰位在789 nm，半高宽140 nm）宽带近红外长余辉。Mg₂SnO₄:Fe³⁺的长余辉发光持续时间超过31小时（9.61 pW，31 h），为目前所报道的Fe³⁺掺杂的近红外长余辉发光最长持续时间。通过XPS, EPR以及热释光综合研究揭示了该材料中存在的三种不同类型的陷阱以及三类陷阱对近红外长余辉性能的影响。此外，该材料在980 nm光作用下展现出良好的光激励特性。最后，基于优异的近红外长余辉发光性能，如图2所示，实现了自维持夜视照明的应用。

图1. Mg₂SnO₄:Fe³⁺近红外长余辉发光。

图2. Mg₂SnO₄:Fe³⁺近红外长余辉发光材料的自维持夜视应用。

研究团队将Fe³⁺ 掺杂入同时具有四面体和八面体格位的反尖晶石结构Mg₂SnO₄基质中，利用Fe³⁺受四面体和八面体晶体场的不同影响，诱导了两种不同发光中心的NIR发射。利用陷阱对电子的捕获机制以及不同的能级排列，达到了光谱剪裁目的，实现单峰（789 nm）宽带近红外长余辉发射且持续时间>31 h。本工作除了提供一种高效近红外长余辉材料之外，该研究还为余辉光谱调控策略提供了新思路。

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ACS Appl. Mater. Interfaces. 2023, ASAP

Publication Date: March 6, 2023

https://doi.org/10.1021/acsami.3c00673

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