Unlocking Cr3+–Cr3+ Coupling in Spinel: Ultrabroadband Near-Infrared Emission beyond 900 nm with High Efficiency and Thermal Stability

材料科学 荧光粉 半最大全宽 发光二极管 尖晶石 红外线的 热稳定性 量子效率 近红外光谱 二极管 能量转换效率 光电子学 光学 物理 量子力学 冶金
作者
Geng Chen,Yahong Jin,Lifang Yuan,Bo Wang,Jiansheng Huo,Hao Suo,Haoyi Wu,Yihua Hu,Feng Wang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (23): 30185-30195 被引量:15
标识
DOI:10.1021/acsami.4c03419
摘要

Broadband near-infrared (NIR) phosphor-converted light-emitting diodes (pc-LEDs) hold promising potential as next-generation compact, portable, and intelligent NIR light sources. Nonetheless, the lack of high-performance broadband NIR phosphors with an emission peak beyond 900 nm has severely hindered the development and widespread application of NIR pc-LEDs. This study presents a strategy for precise control of energy-state coupling in spinel solid solutions composed of MgxZn1–xGa2O4 to tune the NIR emissions of Cr3+ activators. By combining crystal field engineering and heavy doping, the Cr3+–Cr3+ ion pair emission from the 4T2 state is unlocked, giving rise to unusual broadband NIR emission spanning 650 and 1400 nm with an emission maximum of 913 nm and a full width at half-maximum (fwhm) of 213 nm. Under an optimal Mg/Zn ratio of 4:1, the sample achieves record-breaking performance, including high internal and external quantum efficiency (IQE = 83.9% and EQE = 35.7%) and excellent thermal stability (I423 K/I298 K = 75.8%). Encapsulating the as-obtained phosphors into prototype pc-LEDs yields an overwhelming NIR output power of 124.2 mW at a driving current of 840 mA and a photoelectric conversion efficiency (PCE) of 10.5% at 30 mA, rendering high performance in NIR imaging applications.
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