CN110857388B - 一种近红外发光材料以及含该发光材料的发光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于近红外发光材料技术领域，具体涉及一种近红外发光材料，并进一步公开其制备方法，以及含有该发光材料的发光装置。本发明所述近红外发光材料包括组成式为MaAb(QO3)c:zZ的无机化合物，该化合物的激发波长在350‑750nm，近红外光区的发射主峰为700‑1700nm的宽带或者多谱发射，激发波长比较宽泛，能很好的吸收紫外光、蓝光和红光，在近红外区域具有宽带或者多谱发射(700‑1700nm)，且光谱范围可调可控，相对于峰值波长700‑1700nm的红光以及近红外芯片具有更宽或者更多谱线的发射，具有更广泛的用途。
Description
技术领域
本发明属于近红外发光材料技术领域，具体涉及一种近红外发光材料，并进一步公开其制备方法，以及含有该发光材料的发光装置。
背景技术
随着现代物联网、生物辨识、穿戴式装置、食品/医疗检测等领域的兴起及迅速发展，各种传感器与影像辨识技术越发显得重要。在这些技术中，由于红光及近红外光谱技术具有方便、快速、成本较低、无损、无污染等优点，广泛应用于石油化工、高分子、制药、临床医学、环境科学、纺织工业、生物识别、安防监控、食品/医疗检测等领域，而鉴于近红外LED具有的广泛的应用特性，使其成为重要的辅助光源。
近红外LED即近红外发光二极管，是一种将电能转换为光能的近红外发光器件，它具有体积小、功耗低、指向性好等一系列优点，泛用于遥控、遥测、光隔离、光开关、光电控制、目标跟踪等系统。近红外LED通过结合感测装置与辨识技术，可应用于虹膜辨识和脸部辨识等特殊需要的应用；亦或将近红外LED技术应用于穿戴式装置的生物传感器上，可以量化人体的生理状态，成为健康管理的新工具。同时，鉴于智能手机、汽车、监控系统和其他应用近红外LED的渗透率激增，使得近红外LED技术得到广泛的关注。
目前，近红外LED主要应用在通讯、安全监控及感测器领域，并以波长850nm及940nm的红外LED为主。另外，由于700nm-1700nm范围的红光及近红外区覆盖了含氢基团(O-H、N-H、C-H)振动的倍频与合频特征信息。通过扫描样品的近红外光谱，可以得到样品中有机分子含氢基团的特征信息。因此，近红外LED在食品检测领域的应用也越来越多。
当前市场常见的近红外LED主要是直接采用半导体芯片，存在单颗芯片功率小，热稳定差，发射光谱窄，无法实现多光谱，成本昂贵等不足。特别是近红外LED的半高宽最长为40nm(典型的为20nm)，对于要求宽谱或者多谱的很多应用(例如食品检测领域要求650-1700nm超宽的光谱)而言无法利用单颗芯片予以实现；而为获得范围650nm-1700nm(红光及近红外)如此之宽的光谱，需要数十个芯片才可能获得。如中国专利CN103156620A公开的一种多通道并行近红外光谱成像系统中，由于每个芯片的封装形式、驱动电压、驱动电流不同，因此导致使用多芯片实现超宽范围或者多光谱的红光及近红外光谱(650nm-1700nm)，不仅技术难度极大，且成本高，器件稳定性差。因此，开发一种具有光谱范围宽或者多光谱且可调节优势的近红外发光材料，并进而开发出成本低廉、热稳定性高的近红外发光装置，具有积极的意义。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种近红外发光材料，该近红外发光材料可以被蓝光、紫外光、红光有效激发，并具有发射宽谱或多谱的特点。
本发明所要解决的第二个技术问题在于提供一种含有该近红外发光材料的发光装置，该发光装置可以在蓝光、紫外光、红光激发下实现宽谱或多谱近红外光的发射，解决了现有近红外发光装置稳定性差、技术难点高、无法实现宽谱或多谱且可调的问题。
为解决上述技术问题，本发明所述的一种近红外发光材料，所述近红外发光材料包含化学式为MaAb(QO3)c:zZ的无机化合物，其中，
所述M元素选自Sc、Y、La、Lu、Gd、Ca、Sr、Ba或Mg元素中的一种或两种；
所述A元素选自Sc、Y、La、Lu或Gd元素中的一种或两种；
所述Q元素选自Ga、Al、B或In元素中的一种或两种；
所述Z元素包括Cr元素；
所述M元素和所述A元素不同；
且所述参数a、b、c和z满足如下条件：0.8≤a≤3.2，1.8≤b≤3.2，3.5≤c≤4.5，0.0001≤z≤0.5。
优选的，所述Z元素还包括Ce、Eu、Tb、Bi、Dy、Cr、Yb、Pr、Nd或Er元素中的一种。
优选的，所述Q元素为Ga元素或者，所述Q元素为Ga元素，并添加Al、B或In元素中的一种；或者，所述Q元素为B元素。
优选的，所述M元素选自Ca、Sr、Ba或Mg元素中的一种，所述A元素选自Sc、Y、La、Lu或Gd元素中的一种；且2.8≤a≤3.2，1.8≤b≤2.2。
优选的，所述M元素和所述A元素彼此不同的选自Sc、Y、La、Lu或Gd元素中的一种，且0.8≤a≤1.2，2.8≤b≤3.2。
最优的，所述M元素为La元素，所述A元素为Sc元素，所述Q元素为Ga元素，所述Z元素为Cr元素。
更优的，本发明所述近红外发光材料中，当所述Q为B元素时，制得所述发光材料为无机粉体形态。
本发明还公开了一种制备所述近红外发光材料的方法，包括如下步骤：
(1)以选定的M、A、Q和Z元素所对应的氧化物、氟化物、碳酸盐、氯化物和/或酸，按选定的化学计量比混匀，得到混合体；
(2)将所述混合体在温度为1200-1400℃、在空气、氮气和/或氢气气氛中进行焙烧2-20h，获得焙烧产物，经常规处理，得到所需的发光材料。
作为优选的原料选择，所述M元素对应的化合物包括M元素的氧化物、氟化物、碳酸盐或氯化物；
所述A元素的对应的化合物包括A元素的氧化物、氟化物、碳酸盐或氯化物；
所述Q元素对应的化合物包括Q元素的氧化物或酸；
所述Z元素对应的化合物包括Z元素的氧化物、氟化物或碳酸盐。
本发明还公开了一种适用于Z元素为Cr元素时，所述发光材料的制备方法，即以选定的M元素的氧化物，A元素的氧化物，Q元素的氧化物或者酸，Cr元素的氧化物为原料，按选定的化学计量比混匀，加入助熔剂，以熔盐法生长出籽晶，并利用籽晶采用提拉法生长出透明晶体。
本发明还公开了一种发光装置，包含光源和发光材料，所述发光材料包括所述的近红外发光材料。
优选的，所述光源为发射峰值波长范围为350-750nm的半导体芯片，更优选发射峰值波长范围为440-460nm的半导体芯片。
本发明所述近红外发光材料包括组成式为MaAb(QO3)c:zZ的无机化合物，该化合物的激发波长在350-750nm，近红外光区的发射主峰为700-1700nm的宽带或者多谱发射，激发波长比较宽泛，能很好的吸收紫外光、蓝光和红光，在近红外区域具有宽带或者多谱发射(700-1700nm)，且光谱范围可调可控，相对于峰值波长700-1700nm的红光以及近红外芯片具有更宽或者更多光谱的发射，具有更广泛的用途。
本发明所得的近红外发光材料可用于制备发光装置，所述发光装置能够在蓝光芯片、紫外芯片激发下发射700-1700nm的宽带且多谱近红外光，且可以通过复合多种荧光粉，实现更宽光谱或者更多光谱，且光谱可调可控。本发明所述发光装置可以满足光效通讯、脸部虹膜识别、安防监控、防伪、激光雷达、食品检测、数位医疗、3D传感等多种领域需求；而且避免了直接使用近红外芯片的发光装置成本高，稳定性差的弊端，成为产生近红外光的新途径。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中，
图1为实施例1制得发光材料的激发和发射光谱，左侧曲线监测波长为869nm，右侧曲线激发波长为460nm。
具体实施方式
实施例1
本实施例所述的近红外发光材料，其包含的化合物组成式为LaSc2.9(B0.85Ga0.15O3)4:0.1Cr。
按化学式LaSc2.9(B0.85Ga0.15O3)4:0.1Cr的化学计量比，准确称取La2O3、Sc2O3、B2O3、Ga2O3和Cr2O3混合，得到混合体；将所述混合体经研磨及混匀后于空气气氛下1300℃煅烧5h，降温后获得焙烧产物；将所得焙烧产物进行破碎、研磨、分级、筛洗等后处理，即可得到近红外荧光粉。
将所得近红外荧光粉样品进行激发测试，得到样品的激发与发射光谱图如附图1所示。
实施例2
本实施例所述的近红外发光材料，其包含的化合物组成式为LaSc1.9999Lu(B0.85Ga0.15O3)4:0.0001Cr。
按化学式LaSc1.9999Lu(B0.85Ga0.15O3)4:0.0001Cr的化学计量比，准确称取La2O3、Sc2O3、Lu2O3、B2O3、Ga2O3和Cr2O3混合，得到混合体；按选定的化学计量比混匀，加入助熔剂，以熔盐法生长出籽晶，并利用籽晶采用提拉法生长出透明晶体。
实施例3
本实施例所述的近红外发光材料，其包含的化合物组成式为LaSc2.999(BO3)4:0.001Cr。
按化学式LaSc2.999(BO3)4:0.001Cr的化学计量比，准确称取La2O3、Sc2O3、B2O3和Cr2O3混合，得到混合体；将所述混合体经研磨及混匀后于空气气氛下1300℃煅烧5h，降温后获得焙烧产物；将所得焙烧产物进行破碎、研磨、分级、筛洗等后处理，即可得到近红外荧光粉。
实施例4-18所述的近红外发光材料以及含该发光材料的发光装置，其化合物组成式分别见下表1中列出，各实施例中材料的制备方法同实施例1或者2，只需根据各实施例中目标化合物的化学式组成，选择适当计量的化合物进行制备得到所需的近红外发光物质。
分别取实施例1-18制得的近红外发光材料进行激发测试，测定其在460nm波长激发下的峰值波长和半峰宽，以红外芯片为对比例，其对比结果见表1。
表1 近红外发光材料在460nm波长激发下的峰值波长和半峰宽
从以上结果可以看出，本发明所述近红外荧光粉在460nm激发下呈发射主峰为700-1700nm的宽带或者多谱发射，对比近红外芯片(以850nm芯片为对比例)，本发明中单一成份荧光粉呈现半峰宽更宽或者更多光谱发射，且其发光装置通过复合本发明中不同成分的荧光粉，或者通过调节其不同成分荧光粉的封装比例可实现光谱可调可控，具有更广泛的用途。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种近红外发光材料，其特征在于，所述近红外发光材料包含化学式为MaAb(QO3)c:zZ的无机化合物，其中，
所述M元素选自Ca、Sr、Ba或Mg元素中的一种，所述A元素选自Sc、Y、La、Lu或Gd元素中的一种；
所述Q元素选自Ga、Al、B或In元素中的一种或两种；
所述Z元素包括Cr元素；
所述M元素和所述A元素不同；
且所述参数a、b、c和z满足如下条件：0.8≤a≤3.2，1.8≤b≤3.2，3.5≤c≤4.5，0.0001≤z≤0.5。
2.根据权利要求1所述的近红外发光材料，其特征在于，所述Z元素还包括Ce、Eu、Tb、Bi、Dy、Cr、Yb、Pr、Nd或Er元素中的一种。
3.根据权利要求1所述的近红外发光材料，其特征在于，所述Q元素为Ga元素；或者，
所述Q元素为Ga元素，并添加Al、B或In元素中的一种；或者，
所述Q元素为B元素。
4.根据权利要求1-3任一项所述的近红外发光材料，其特征在于：2.8≤a≤3.2，1.8≤b≤2.2；或者0.8≤a≤1.2，2.8≤b≤3.2。
5.根据权利要求4所述的近红外发光材料，其特征在于，所述Q元素为B元素，所述发光材料为无机粉体形态。
6.一种制备权利要求1-5任一项所述近红外发光材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)以选定的M、A、Q和Z元素所对应的氧化物、氟化物、碳酸盐、氯化物和/或酸，按选定的化学计量比混匀，得到混合体；
(2)将所述混合体在温度为1200-1400℃、在空气、氮气和/或氢气气氛中进行焙烧2-20h，获得焙烧产物，经常规处理，得到所需的发光材料。
7.根据权利要求6所述的制备所述近红外发光材料的方法，其特征在于，以选定的M元素的氧化物，A元素的氧化物，Q元素的氧化物或者酸，Cr元素的氧化物为原料，按选定的化学计量比混匀，加入助熔剂，以熔盐法生长出籽晶，并利用籽晶采用提拉法生长出透明晶体。
8.一种发光装置，包含光源和发光材料，其特征在于，所述发光材料包括权利要求1-5任一项所述的近红外发光材料。
9.根据权利要求8所述的发光装置，其特征在于，所述光源为发射峰值波长范围为350-750nm的半导体芯片。
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