一种新型的 Sr2LaAlO5:Eu3+ 磷光体，具有定向的深红色发光特性，适用于高显色指数（CRI）的白光LED和植物生长照明应用

《Journal of Alloys and Compounds》：A Novel Sr 2LaAlO 5:Eu3+ Phosphor with Targeted Deep-Red Emission for High-CRI WLEDs and Plant Growth Lighting

Sr?La???AlO?:Eu3?磷光体制备及在植物生长与白光LED中的应用研究。通过高温固相法合成深红磷光体，证实Eu3?占据La3?晶格位点，形成[EuO?]四方反棱柱结构，实现703nm高效深红发光（量子效率59.51%），热稳定性优异（423K时发光强度保留80.4%）。该材料用于白光LED时色-rendering指数达91.8，配合蓝绿磷光体实现5182K色温。植物发芽实验表明其能显著促进植物生长。

　　

康王|彭星星|李荣茂|田中海|陈黄耀|于恒|郭翔|崔瑞瑞

贵州省功能复合材料重点实验室，贵州大学大数据与信息工程学院，中国贵阳550025

摘要

本文采用高温固态法成功合成了深红色荧光粉Sr₂La_1-xAlO₅:xEu³⁺。结构表征和理论计算证实，Eu³⁺离子优先占据晶格中的La³⁺位点。在[EuO₈]四方反棱柱配位环境中，这打破了传统的发光模式，导致在703纳米处（对应于⁵D₀ → ⁷F₄跃迁）产生异常强烈的深红色光。发光最强的样品SLAO:0.5Eu³⁺表现出59.51%的量子效率、优异的热稳定性（在423开尔文下仍保持80.4%的初始发光强度），以及在393纳米近紫外光激发下的1.31毫秒荧光寿命。利用其优良的光学性能，将该样品与商用蓝光和绿光荧光粉按特定比例混合，制备出了白光发光二极管（WLED）。该WLED的显色指数为91.8，相关色温为5182开尔文，R9值为48.5。利用其⁵D₀ → ⁷F₄跃迁特性，制备出了深红色LED。对多种种子的发芽实验表明，这种深红色LED对植物生长有显著的促进作用。这些实验结果表明，SLAO:Eu³⁺深红色荧光粉在WLED应用和植物生长促进方面具有巨大潜力。

引言

在固态照明领域，由于荧光粉转换发光二极管（Pc-LED）具有高发光效率、长使用寿命、节能、环保和易于控制等优点[1],[2],[3]，它们正逐渐成为主流照明和显示技术的核心组件。传统的白光发光二极管（WLED）通常有两种制造方法：一种是用二极管芯片的蓝光激发Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺（YAG:Ce）黄荧光粉；另一种是将近紫外LED的输出与红、绿、蓝荧光粉结合[4],[5]。然而，第一种方法在光谱中的红光成分存在显著不足，导致WLED的显色指数（CRI）较低，相关色温（CCT）过高。CRI用于评估光源对颜色再现的准确性；分数越高，表示颜色越接近自然光。相反，高CCT表示冷白色光，长时间暴露在这种光线下可能会引起不适[6]。虽然第二种方法可以通过调整荧光粉比例实现高CRI的白光，但红荧光粉的发光效率和热稳定性相对较低，无法满足日常使用要求[7]。因此，开发能够有效被紫外或近紫外辐射激活的高效红荧光粉已成为科学研究的重点，以满足现代WLED技术的发展需求。

在植物照明中，光照对植物生长至关重要。植物光合作用主要由叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素调节。研究表明，叶绿素a和b在蓝光光谱（350至480纳米）内有较强的吸收峰，其中叶绿素a的峰值分别在约430纳米和460纳米；此外，这些色素在红光区域也有吸收峰（约660纳米）。另一方面，类胡萝卜素主要吸收400至500纳米之间的蓝光[8],[9],[10]。健康的植物生长不仅依赖于光合作用，还需要光敏色素的调节。主要的光敏色素包括红外光敏色素P_R（吸收峰约660纳米）和远红外光敏色素P_FR（吸收峰约730纳米），它们调节种子发芽、开花和生长等过程[11],[12],[13]。因此，开发理想的红光和深红光荧光材料对于改善基于LED的室内植物照明至关重要。目前，Mn⁴⁺掺杂荧光粉被广泛用于植物照明，因为其⁴E_g→⁴A_2g跃迁的发射峰主要位于700纳米左右[14],[15],[16]。然而，由于Mn⁴⁺的自旋禁戒跃迁特性和低掺杂浓度（通常<1.0摩尔%），所得荧光粉的发光强度普遍不足，限制了其应用[17]。因此，开发具有最佳发射光谱的高效红光荧光材料对于促进植物生长至关重要。

三价Eu离子因其复杂的能级结构而成为稀土材料中的常见激活剂，可实现⁵D₀ → ⁷F_J跃迁（J可为0、1、2、3或4），主要在550至750纳米范围内发射红光。特别是⁵D₀ → ⁷F₄跃迁大约发生在700纳米，属于促进植物生长的关键远红光光谱[18],[19]。然而，在大多数Eu³⁺掺杂荧光粉中，⁵D₀ → ⁷F_{4跃迁的发光强度较低，如SrLaGaO4:Eu³⁺[20]、Sr2GdSbO6:Eu³⁺[21]、Ca2InTaO6:Eu³⁺[22]等材料所示。在这些材料中，其最佳发射峰通常在591纳米（⁵D0 → ⁷F1）或612纳米（⁵D0 → ⁷F2），无法发射深红光。因此，关于Eu³⁺掺杂荧光粉在植物生长应用中的报道较少。尽管如此，探索高效⁵D⁰ → ⁷F4跃迁荧光材料在植物生长方面具有巨大潜力。此外，大多数Eu³⁺掺杂荧光粉具有高亮度和高色彩纯度，因此可以用于WLED中的红光成分。LaSr2AlO5:Eu³⁺荧光粉已通过凝胶燃烧法合成，但该方法制备的荧光粉在⁵D0 → ⁷F4跃迁处的发光较弱[23]。此外，还研究了在CO气体和25% N2 + 75% H2气体环境中同时存在Eu³⁺和Eu²⁺的LaSr2AlO5[24],[25]。然而，这些研究均未探讨⁵D0 → ⁷F4跃迁的发光现象。}

在本研究中，我们报道了采用高温固态法合成Sr₂LaAlO₅:Eu³⁺（SLAO:Eu³⁺荧光粉。其最强的发光位于703纳米，与⁵D₀ → ⁷F_{4跃迁相关。SLAO:Eu³⁺荧光粉的量子产率为59.51%，热稳定性优异（在423开尔文下保持80.4%的发光强度）。利用其鲜艳的深红色发光，我们将其与393纳米激发芯片结合，制备出了WLED和深红色LED。此外，植物生长试验表明该材料在LED照明和农业应用中具有巨大潜力。}

实验部分

在常压条件下，使用高纯度原料SrCO₃（99.99%）、La₂O₃（99.99%）、Al₂O₃（99.99%）、Eu₂O₃（99.99%），按指定化学比例混合。具体来说，每种原料的质量是根据方程（1）中的摩尔质量和化学系数计算得出的。详细计算和每种原料的所需质量见表S1（支持信息）。Sr₂La_1-xAlO₅:xEu³⁺粉末成功合成

晶体结构和形态分析

SLAO:xEu³⁺的XRD图谱如图1(a)所示。衍射峰与Sr₂LaAlO₅参考数据高度相似，表明Eu³⁺离子的添加并未改变SLAO的固有晶体结构。放大XRD图谱后，发现衍射峰向更高角度偏移，这是由于较大的La³⁺离子（离子半径1.16 ?）被较小的Eu³⁺离子（离子半径1.066 ?）取代，导致晶格收缩。

结论

总之，本文系统研究了通过高温固态法合成的深红色荧光粉Sr₂LaAlO₅:Eu³⁺的晶体结构、发光机制和多领域应用性能。研究证实Eu³⁺离子成功掺入基质并占据La³⁺位点。形成的[EuO₈]四方反棱柱局域结构是导致其非传统、强深红色发光的关键因素

CRediT作者贡献声明

彭星星：方法论、概念设计。康王：撰写——初稿、数据整理。郭翔：指导、资金申请。崔瑞瑞：撰写——审稿与编辑、指导、方法论、资金申请。陈黄耀：数据整理。于恒：数据整理。李荣茂：方法论、概念设计。田中海：实验研究。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52403403）和贵州省基础研究计划（自然科学）（项目编号Qian ke he ji chu – ZK [2024] YiBan 095）的支持。