浙江
类太阳光发射一直是人造光源努力的方向，类太阳光光源在智慧农业、可见光通讯、光传感、健康照明、光电检测等领域具有广阔的应用前景。目前，氙灯凭借高亮度、连续的发射谱带等特点常用于模拟太阳光。但是，氙灯受发光延迟、高热量、价格高、需要额外的电压控制器等影响，使其在诸多领域应用受限，如便携式微型化实时光电检测领域。开发出成本低的小型化类太阳光光源成为当下面临的难题。
针对上述问题，中山大学化学工程与技术学院吴明娒教授、周磊副教授团队和海洋科学学院王佳琪副教授，瑞士洛桑联邦理工学院Jean-Claude G. Bünzli教授根据Eu2+宽谱发射和对局域配位环境敏感等特点，采用局域结构调控的方式，诱导Eu2+同时分布在局域配位环境不同的阳离子格位，成功制备出了一种半高宽高达330 nm，光谱覆盖紫光到近红外的类太阳光发射单一相荧光粉。作为概念性验证，作者将该荧光粉封装成的白光LED作为自制吸收光谱测试装置的光源，对十二种不同颜色以及浓度的有机染料进行了测试，并结合卷积神经网络，可以实现对染料颜色的精确区分。相关研究工作以“Achieving Ultra-Broadband Sunlight-Like Emission in Single-Phase Phosphors: The Interplay of Structure and Luminescence”为题发表在最新一期《Advanced Materials》。
【荧光粉的结构表征】
作者选择以β-Ca3(PO4)2构型的Ca9LiMg(PO4)7（CLMPO）的作为基质材料，由于其丰富的阳离子格位，可为Eu2+提供丰富的寄居环境。为实现Eu2+在这些格位上的合理分布，通过Al3+异价取代Mg2+进行合理的局域结构调控。结构表征结果揭示了，Al3+引入结构中并不会造成CLMPO物相的改变。但是，由于Al3+和Mg2+的半径和价态差异，替代过程将引起局域结构的变化。
图1. 荧光粉的结构表征
【荧光粉的光学性质】
光学特征分析发现，Al3+的引入一方面促进了Eu3+还原成Eu2+，从而显著增强了荧光粉的发光强度；另一方面，Al3+掺杂引起的局域结构变化为Eu2+在CLMPO晶体结构中的再分布创造了条件。伴随着Eu2+在四种不同配位环境的阳离子格位上的再分布，Ca9LiMg1-xAl2x/3(PO4)7:Eu2+（CLMAPO:Eu2+）荧光粉的谱带持续变宽，发光颜色则由起初的紫红色发光逐渐变为冷白光再到暖白光的发射。其中，当Al3+掺杂量达到0.5时，样品发射光谱的半高宽达到创记录的330 nm，光谱覆盖了紫光到深红光整个可见光范围，甚至部分延伸至了近红外区域，且光谱峰形和太阳光谱非常相似。
图2. 荧光粉的光学性质表征
【宽带发射机制分析】
Al3+主要替代Mg2+占据在MgO6多面体，由于Al3+与Mg2+的半径差异，导致MgO6多面体收缩，间接引起其他阳离子格位的膨胀或收缩，为Eu2+的再分布创造了条件。DFT计算结果揭示了未有Al3+的引入时，Eu2+优先占据在Ca3格位，从而实现荧光粉的紫红光发射。当Al3+不断引入，Eu2+占据在其他格位的可能性持续增加。当Al3+掺杂量为0.5时，Eu2+在四种阳离子格位上分布相对均衡，呈现强度相近的多峰发射，最终实现超宽带类太阳光发射。
图3. 宽带发射机制分析
【光电应用探索】
将由此超宽带荧光粉制备的白光LED作为一种自制吸收光谱测试装置的光源，进行了12种不同颜色有机染料的吸收光谱测试，并结合卷积神经网络分析，最终可以实现对不同颜色、不同浓度的染料进行精确分辨，分辨率高达97.8%。通过概念性验证试验，证实了这种荧光粉有望应用于微型化类太阳光光源。
图4. 光电应用探索
【总结】
在这项研究工作中，作者通过异价取代策略调控局域晶体结构，诱导Eu2+的分布，制备出了一种类太阳光发射的全光谱单一相荧光粉。将此材料应用在自制的吸收光谱测试装置，验证了其作为微型化类太阳光源的可行性。研究工作为类太阳光发射发光材料的开发及应用提供了借鉴和思路。
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来源：高分子科学前沿
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