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原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊
Cite this article:
Yang L, Zheng G, Liao C, et al. Glass-crystallized far-red-emitting ceramics for high-power, spectrally matched plant-growth light sources. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221158
文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221158
ResearchGate：Glass-crystallized far-red-emitting ceramics for high-power, spectrally matched plant-growth light sources
1、导读
开发高效、稳定且可大规模应用的远红光发光材料一直是植物照明领域的重大挑战。本文采用玻璃前驱体完全结晶转化为陶瓷的玻璃晶化法，通过调控热处理温度，成功制备出Cr3+激活的Y2Ca0.3Ba0.7Al4SiO12硅酸盐远红光陶瓷。在反射模式测试下，厚度仅0.4 mm的荧光陶瓷可承受蓝色激光激发阈值高达 204 W·cm-2的辐照，并实现2.1 W 的远红光高功率输出，蓝光至远红光的转换效率达到36%。本研究提出了一种工艺简单、成本低廉的荧光陶瓷结构设计策略，为高亮度远红光光源的开发提供了新思路和重要参考。
2、研究背景
在现代农业特别是设施农业和植物工厂中，人工光源已经成为决定作物产量和品质的关键因素。随着城市化和全球气候变化的加剧，传统依赖自然光的种植模式越来越难以满足人类对高效、稳定农业生产的需求。如何利用先进的光源技术提升光合作用效率，成为现代智慧农业的研究热点。其中光照是影响作物生长和产量的关键因素。红光和远红光能够调控植物从种子萌发到开花结果的整个生命周期。特别是高亮度的远红光(≈730 nm），不仅能提高植物的光捕获能力，还能加快电子转移和光合磷酸化效率，从而显著提升作物产量。
然而，目前广泛使用的远红荧光粉-硅胶复合材料存在导热性差、稳定性低的问题，在高功率LED或激光激发下容易发生热猝灭甚至烧蚀。因而，开发一种兼具高效率、高热稳定性和高输出功率的新型远红发光材料，已成为推动植物照明技术发展的关键。
3、文章亮点
（1） 采用玻璃晶化法成功制备出一种Cr3+激活的的远红光荧光陶瓷，其致密度高、导热性能良好；
（2） 以Y3Al5O12石榴石结构为基础，通过Ca2+/Sr2+–Si4+替代Y3+–Al3+离子对策略实现晶体场调控，将发射光谱精准调控到 730 nm远红区，与植物光敏色素Pfr的吸收峰高度匹配。
（3） 通过调控热处理温度实现荧光陶瓷具备97 %内量子效率和99 %热稳定性。基于反射测试模式，在204 W·cm⁻2高功率密度蓝色激光驱动下输出高达2.1 W的远红光，展现出在高功率植物照明领域的巨大应用潜力。
4、研究结果及结论
本研究采用气动悬浮激光熔炼法制备了一系列Y2Ca1−xBaxAl4-yCrySiO12 (x = 0.1–1.0 y = 0.005–0.08)母体玻璃。通过调控热处理温度，实现玻璃的完全晶化，成功得到Cr3+激活的远红光荧光陶瓷。
图1 玻璃晶化法制备荧光陶瓷示意图。
XRD结构分析表明，随着热处理温度的升高，玻璃可以完全晶化为具有石榴石结构的远红光陶瓷，并在蓝光照射下呈现出明亮的远红光发射。此外，SEM和TEM微观结构分析显示，该荧光陶瓷的晶粒尺寸约为2–3 μm，在HRTEM下可观察到清晰的晶格条纹，且未见明显的非晶区域，表明该陶瓷具有较高结晶度。
图2 母体玻璃热力学分析及晶化后荧光陶瓷的结构分析。
图3 荧光陶瓷在蓝光照射下发射远红光和微观结构分析。
进一步地，通过提高玻璃晶化过程中的热处理温度，可促进晶粒生长并减少作为发光猝灭中心的缺陷数量，从而使内量子效率（IQE）从1%显著提升至97%。同时，该陶瓷在150 ℃下仍能保持初始发光强度的 99%，展现出优异的热稳定性。
图4 荧光陶瓷发光性能。
我们基于反射测试模式，采用大功率蓝色激光作为激发光源，对该荧光陶瓷的发光性能进行了进一步评估。结果表明，在204 W·cm-2高功率密度蓝色激光激发下，该荧光陶瓷能够输出高达2.1 W的远红光，蓝光至远红光的转换效率达到36%，展现出在高功率植物照明领域的巨大应用潜力。
图5 激光驱动远红光器件（pc-LD）pc-LD发光性能。
5、作者及研究团队简介
杨蕾（第一作者），宁波大学信息科学与工程学院光电信息工程专业硕士生，主要研究方向为无机光电材料与器件的制备优化及应用。
郑国君，宁波大学特聘副研究员，硕士生导师。主要从事无机光电功能材料与器件方面的研究，包括用于智能无损探测技术的近红外荧光功能材料、高功率固态照明用荧光陶瓷等。主持国家自然科学基金青年项目1项并参与国家重点研发计划和联合基金等多项课题。近年来, 以第一/通讯作者在Adv. Mater., Adv. Sci., Laser Photonics Rev., J. Am. Ceram. Soc., Coord. Chem. Rev.等期刊上发表SCI论文10余篇，入选ESI热点/高被引论文1篇，授权发明专利4项。
肖文戈，宁波大学特聘研究员，博士生导师。研究方向为稀土/过渡族发光材料与器件。曾于浙江大学光电科学与工程学院从事博士后研究工作。主持国家自然科学基金（青年）、中国博士后科学基金（面上）等项目；以第一/通讯作者在Nature Materials、Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Science、Advanced Functional Materials、Laser Photonics Reviews等顶级/权威学术期刊发表研究论文17篇；已授权国家发明专利13项，申请PCT专利3项（含美国专利2项）；研究成果曾入选“2020年度中国光学十大进展”。
《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，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。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，2024年发文量为174篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科33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；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。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
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