科学网—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MgNb 2 O 6:Cr 3+透明玻璃陶瓷-清华大学出版社学术期刊的博文
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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 MgNb 2 O 6 :Cr 3+ 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 MgNb 2 O 6 晶相并实现 Cr 3+ 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 Cr 3+ 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 MgNb 2 O 6 （ 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 MgNb 2 O 6 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 ） Cr 3+ 同时占据 Mg 2+ 和 Nb 5+ 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 43SiO 2 – x MgO–(42− x )Nb 2 O 5 –15Na 2 O–0.1Cr 2 O 3 ( 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:Cr 3+ 透明玻璃陶瓷。通过调节前驱玻璃中 Mg/Nb 比至目标相 MgNb 2 O 6 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 Nb 2 O 5 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。 Cr 3+ 掺杂不改变主晶相，可同时取代 Mg 2+ 和 Nb 5+ 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 MgNb 2 O 6 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
Cr 3+ 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 Nb 5+ 位和 Mg 2+ 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 Cr 3+ 同时占据两种六配位格位以实现电荷平衡。 Rietveld 精修证实， Cr 3+ 掺杂后 Mg-O 键缩短、 Nb-O 键增长，晶胞体积略减，表明 Cr 3+ 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 Cr 3+ 在 MgNb 2 O 6 中占位分析
通过系统调控成核温度（ 670–750 ℃ ）、结晶温度（ 820–960 ℃ ）及 Cr 3+ 掺杂量（ 0.05–0.2 mol% ），研究了 MgNb 2 O 6 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。 Cr 3+ 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， Cr 3+ 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 Cr 3+ 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:Cr 3+ 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 Cr 3+ 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。
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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