科学网—云南大学朱静/中国计量大学雷磊/福建农林大学谢知：利用双磷酸盐的结构优势实现了高效近紫外光发射及多功能性-清华大学出版社学术期刊的博文
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2025-9-2 09:32
| 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:
Liu C, Huang X, Zhu J, et al. Exploiting structural benefit of double phosphate for extremely efficient near-ultraviolet light towards multiple functionality. Journal of Advanced Ceramics , 2025, 14(8): 9221131. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221131
文章 DOI ： 10.26599/JAC.2025.9221131
ResearchGate ： Exploiting structural benefit of double phosphate for extremely efficient near-ultraviolet light towards multiple functionality
1 、 导读
近年来， Ce 离子激活的多色发光纳米荧光粉取得了进展，但实现高效且稳定的近紫外（ n-UV ）发射仍然是一个关键挑战。为此，云南大学朱静团队基于结构刚性策略，在 NaSrY(PO 4 ) 2 （ NSYP ）结构中实现了 Ce 离子的小斯托克斯位移（ Δ S = 0.53 eV ）发射。其内量子效率高达 98.5% ，同时具有出色的热稳定性和卓越的耐溶剂性。该工作展示了 n-UV 发射的纳米荧光粉在 X 射线成像和光学测温方面的潜在应用，也表明了基质结构在设计高品质 Ce 激活光学材料中的关键作用。
2 、 研究背景
Ce 离子激活的光学材料因其多色发光特性而受到广泛关注。 Ce 的宽带可调谐发射（ 400 ~ 700 nm ）归因于自旋允许的 4f → 5d 跃迁，这与 Ce 的占位和基质结构密切相关。研究发现，虽然由 Ce 激活的一些卤化物具有 n-UV 发射（ 300 - 400 纳米），例如 CeCl 4 · 2MeOH 、 Cs 3 CeBr 6 和 Cs 2 ZnCl 4 :Ce ，但其量子效率较低且稳定性差的缺点难以改善。值得注意的是，双磷酸盐的低成本、易于合成、结构稳定性和化学环境稳定性使其作为 n-UV 发射荧光体基质具有很大的潜力。
3 、文章亮点
(1). 基于较小的斯托克斯位移（ Δ S = 0.53 eV ），实现了超高的内量子效率（ 98.5% ）。
(2). 超高的结构刚度（ Θ D = 695 K ）使其具有出色的热稳定性（在 423 K 时保持 78% ）和耐溶剂性（浸泡 10 天后仍保持 82% ）。
(3). 在光学测温方面获得了出色的相对灵敏度（ 0.94% K −1 ）；在 X 射线成像方面则实现了高空间分辨率（ 11.0 lp/mm ）。
4 、研究结果及结论
图 1 中，采用微波辅助快速水热合成法制备了一系列的 NSYP: x Ce （ x = 0 - 5% ）粉末样品。通过 XRD 精修， XPS ， FETEM 以及元素分布，证实了纳米颗粒的均匀性分布以及纯相的可靠度。使用 VESTA 软件展示了 NSYP 的结构特征，八面体的 [Sr/YO 8 ] 和四面体的 [PO 4 ] 单元沿 c 轴排列形成了 [Sr/YO 8 ]−[PO 4 ]−[Sr/YO 8 ] 长链。八面体 [NaO 8 ] 单元通过这些长链连接起来，构建了一个稳定的三维框架。
图 1 （ a ） NSYP 和（ b ） NSYP:0.5%Ce 的精修结果。（ c ）拟合的晶体结构图。（ d ） NSYP:0.5%Ce 的 FETEM 图像。（ e ） HRTEM 图像和衍射斑点。（ f ） NSYP 和 Ce 的 XPS 图。（ g ） NSYP:Ce 的元素分布图。
图 2 中，计算了 NSYP 的能带结构和态密度（ DOS ），间接带隙值为 4.17 eV 。导带底部和价带顶部主要分别由 Y 和 O 轨道构成。光学吸收归因于从 O 2- 到 Y 3+ 的电子跃迁。 NSYP:0.5%Ce 纳米荧光粉在 380 nm 波长下进行监测，所获得的 PLE 带峰位于 256 nm 和 325 nm ，这些带峰被归因于 Ce 的 4f 基态向 5d 激发态的跃迁。 Ce 的发光占位和寿命衰减也进一步证明了 Ce 的选择性占位对发光的影响。最后深入分析了 Ce 离子能级跃迁和 Δ S 之间的关系。
图 2 （ a ） NSYP 的能带结构和态密度图。（ b ）（ αhν ） 1/2 与 h ν 的 Tauc 曲线。（ c ） NSYP:0.5%Ce 的 PLE 和 PL 光谱。（ d ）高斯拟合峰与 Ce 的晶格占据之间的关系。（ e ）衰减曲线。（ f ） Ce 的 4f 基态电子构型和 5d 激发电子构型的能量图。
图 3 中，由于双磷酸盐的高结构刚性，较小的 Δ S 削弱了非 辐射跃迁和能量损失，可实现近似 100% IQE 。这一突破证实了小 Δ S 对 获得高效近紫外发光的重要性。此外， NSYP 双磷酸盐基质的高结构刚度抑制了晶格弛豫的产生，并通过准谐波 Debye 模型确定了德拜温度值（ Θ D = 695 K ）。并且， NSYP:Ce 纳米荧光粉具有优异的热稳定性（ 423 K 时为发射强度保持 78% ）和耐溶剂性（浸泡 10 天后发射强度仍保持 82% ）。
图 3 （ a 、 b ）在 325 nm 和 256 nm 激发下的 NSYP:0.5%Ce 的 IQE 测量结果。（ c ） NSYP:0.5%Ce 与均匀荧光粉的 IQE 比较。（ d ）温度依赖性光致发光现象。（ e ）温度随时间变化的 PL 强度以及确定的 E a 值。（ f ） NSYP:0.5%Ce 与其他纳米荧光粉的热稳定性比较。
图 4 中，基于 Ce 的 4f 激发带对温度的依赖性差异，获得了较高的相对灵敏度（ 0.94% K −1 ），表明其在光学测温领域有潜在应用。图 5 中， NSYP:Ce 透明薄膜作为闪烁屏进行 X 射线成像，实现了 11.0 lp/mm 的高空间分辨率，被测内部物体可清晰成像，性能指标可与商用闪烁体（ CsI:Tl ）相媲美。
图 4 （ a ）在 256 nm 和 325 nm 激发下，温度对发射强度的影响。 （ b ）温度相关的 EIR 值。 （ c ）相对灵敏度对温度的响应关系。（ d ）在 298 K 下连续测量的 EIR （ I 256 /I 325 ）值，（ e ）受温度影响的分辨率值。（ f ）热循环的重复性。
图 5 （ a ） NSYP:0.5%Ce 在乙醇溶液中发射强度随时间的变化曲线。（ b ）归一化发射强度。（ c ）角度接触度及图像对比。（ d ） XEOL 光谱。（ e ） NSYP:0.5%Ce 闪烁屏的制备过程。（ f ） X 射线成像示意图。（ g ）调制传递函数和灰度值。（ h ）使用制备好的闪烁屏对电路板进行 X 射线成像。
5 、作者及研究团队简介
刘丛林（第一作者） ，云南大学材料与能源学院博士研究生，主要研究方向为稀土发光材料先进应用技术开发研究。在 Aggregate 、 Journal of Advanced Ceramics 、 Inorganic Chemistry 、 Journal of Luminescence 等专业期刊发表论文。
朱静（通讯作者），博士，教授，云南省中青年学术技术带头人，博士生导师。 主持国家和省部级科研项目 10 余项，在 Adv Mater 、 Adv Sci 、 Laser Photon Rev 、 Aggregate 、 Adv Opt Mater 、 Chem Eng J 、 J Adv Ceram 等国际学术期刊发表 SCI 收录论文 100 余篇，授权国家发明专利 12 件，曾获云南省自然科学三等奖（排名第 1 ）。培养硕博研究生 30 余名，指导硕博研究生曾获云南省优秀硕士论文和云南省研究生优秀科技创新成果奖。
雷磊（通讯作者），博士，研究员，浙江省高层次人才，博士生导师。 现任中国稀土学会光电材料与器件专业委员会秘书长，稀士磁 / 光电功能材料国家地方联合工程实验室副主任。主持获批国家自然科学基金面上项目与青年项目各 1 项、浙江省自然科学基金重点项目与般项目各 1 项。以第一或通讯作者在 Nature Communications (2 篇 ) 、 Nano Letters 等国际国内期刊发表 SCl 论文 70 余篇，引用 400 余次。获 2021 年浙江省自然科学三等奖 (1/5) 、 2022 年校重点工作特别贡献奖。
谢知（通讯作者），博士，副教授，硕士生导师。 现为福建农林大学机电学院教师。主持省自然科学基金项目 2 项，参与国家级、省级项目多项。近年来在国内外重要学术期刊上发表论文多篇，其中第一作者或通讯作者 SCI 论文十余篇。
作者及研究团队在 Journal of Advanced Ceramics 上发表的相关代表作：
1 ） Xiang Y, Yang L, Liao C, et al. Thermometric properties of Na 2 Y 2 TeB 2 O 10 :Tb 3+ green phosphor based on fluorescence/excitation intensity ratio. Journal of Advanced Ceramics , 2023, 12(4): 848–860. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220725
2 ） Fang Z, Yang D, Zheng, Y, et al. NUV-pumped luminescence of thermally stable samarium-activated alkali metal borophosphate phosphor. Journal of Advanced Ceramics , 2021, 10(5): 1072–1081. https://doi.org/10.1007/s40145-021-0492-z
《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，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。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， 2024 年发文量为 174 篇； 2025 年 6 月发布的影响因子为 16.6 ，连续 5 年位列 Web of Science 核心合集 “ 材料科学，陶瓷 ” 学科 33 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； 2025 年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学 1 区 Top 期刊。 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。
期刊主页： https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址： https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊 ResearchGate 主页： https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
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