Carbon Energy

研 究 背 景

石榴石材料凭借其稳定的晶体结构、优异的热导率以及低的晶格振动频率，在发光领域展现出潜在的应用价值。然而，绝大多数自激活发光的石榴石普遍存在发光效率低、发光模式单一等问题，极大限制了其工业化应用。稀土掺杂作为提升发光性能的关键策略，虽然有效丰富了发光模式，但因稀土离子半径与基质金属离子半径的不匹配，往往引发晶格畸变或缺陷形成，导致光致发光量子产率（PLQY）显著下降。因此，如何同时实现高PLQY和多模式发光，已成为石榴石发光材料开发亟待解决的核心挑战。

成 果 介 绍

近期，广西大学曾若生、陈锡勇教授研究团队成功开发出一种Er³⁺离子掺杂的Gd₃Ga₅O₁₂石榴石发光材料。在该类体系中，首次实现了单一离子掺杂单一基质的多模式发光特性。并且，通过在晶格中引入Al³⁺离子，增强了晶体结构的刚性，同时有效地提升了电荷分布密度。实验结果表明，Al³⁺离子的引入显著提高了下转移光致发光量子效率，使其达到67.5%，这一数值远高于同类型材料指标。该文以“Tailoring Photophysical Processes of Er³⁺‐Doped Gd₃Ga₅O₁₂ Garnets for Enhanced Photoluminescence via Al³⁺ Ion Preference Substitution”为题，发表在Carbon Energy 期刊上。

研 究 亮 点

1.多模式发光特性：稀土Er³⁺离子掺杂赋予石榴石材料多模式发光特性，包括可见光、近红外以及上转换发光。

2. Al³⁺偏好的位点取代策略：Al³⁺离子倾向取代六配位的Ga³⁺离子位点，能够大幅增强发光中心[ErO₆]周围电荷密度和电子的跃迁概率。

3. PLQY和光电性能的优化和提升：引入Al³⁺离子显著提升稀土掺杂Gd₃Ga₅O₁₂的光电性能，使PLQY提升至68.5%，LED的光电转换效率达到6.5%，均优于同类材料。

图 文 解 析

图1：Gd₃Ga₅O₁₂石榴石的晶体结构及其相关表征 

呈现了Gd₃Ga₅O₁₂石榴石的晶胞结构示意图，明确指出了晶格中不同阳离子位点。同时，展示了稀土Er³⁺离子进入并取代八面体配位的GaI离子位点后，形成发光中心[ErO₆]的结构演化过程。通过XRD、XPS以及EDS等多种表征手段，有力证实了Er³⁺离子的成功掺杂。

图2：Al³⁺离子进入晶格后的占位分析

本研究运用密度泛函理论（DFT）计算发现，在Gd₃Ga₅O₁₂晶格中，Al³⁺离子更倾向于取代的八面体配位Ga³⁺位点（GaI位点），而非四面体配位Ga³⁺位点（GaII位点）。形成能分析显示，Al³⁺离子取代GaI离子位点后形成的晶体结构更为稳定，且Al³⁺离子与GaI位点的离子半径差异最小。这一系列结果得到了实验数据的有力支持，进一步证实了Al³⁺离子在晶格中优先取代GaI位点。

图3：Gd₃Ga₅O₁₂:Er³⁺的下转移发光特性与发光增强机制

研究显示，引入Al³⁺离子显著提升了Gd₃Ga₅O₁₂:Er³⁺的下转移光致发光量子效率，同时可见光和近红外区域的发光寿命也明显延长。基于DFT的分析表明，Al³⁺离子进入晶格后，增强了发光中心周边的电荷密度，大幅提高跃迁偶极矩，从而增加电子由基态跃迁到激发态的概率。这从理论层面上揭示了Al³⁺离子提升发光性能的原因。

图4：Gd₃Ga₅O₁₂:Er³⁺的上转换发光特性调控

图4展示了通过改变Al³⁺离子掺杂浓度来调控Gd₃Ga₅O₁₂:Er³⁺石榴石材料的上转换发光颜色，并提出了跃迁机理来深入揭示其光物理过程。结合光谱分析可知，Al³⁺离子进入Gd₃Ga₅O₁₂:Er³⁺晶格后，改变了跃迁过程中电子的弛豫路径，致使发光颜色发生翻转，且在高Er³⁺离子浓度下表现得尤为显著。

图5：Gd₃Ga₅O₁₂:Er³⁺的温度相关光致发光特性

本研究发现，引入Al³⁺离子可抑制Gd₃Ga₅O₁₂:Er³⁺的热猝灭效应，使其PL强度随温度升高而衰减的趋势减缓。Al³⁺的引入增强了材料的刚性结构，抑制了电-声子耦合及非辐射复合过程，进而减少了能量损耗。此外，本研究引入激子活化能作为物理量，用以定量描述Al³⁺离子对热猝灭效应的影响程度。

图6：Gd₃Ga₅O₁₂:Er³⁺材料的多功能应用

基于Gd₃Ga₅O₁₂:Er³⁺石榴石材料的光学器件，因其稳定的化学结构和优异的光学性能，在固态照明与温度传感等领域展现出巨大的应用潜力。本研究在此基础上，引入Al³⁺离子进一步提高了LED的光电转换效率，并优化了基于Gd₃Ga₅O₁₂:Er³⁺材料设计的红外温度传感器的灵敏度，从而极大拓展了其实际应用范围。

作者简介

曾若生，广西大学物理科学与工程技术学院教授，博士生导师，Nano Research和JPC Letters编委，广西光学学会副会长，主要从事于钙钛矿光电材料的发光物理机理、手性调制、圆偏振探测、X射线成像、高级防伪等应用研究。以第一或通讯作者在Adv. Funct. Mater.、Laser Photon. Rev.、Carbon Energy、Nano Res. 等期刊发表论文70余篇，入选ESI高被引论文4篇；主持国家自然科学基金和广西自然科学基金等多个省部级项目；担任国家自然科学基金委、贵州省、广西、内蒙古等多个省份自然科学项目评审专家。

陈锡勇，广西大学资源环境与材料学院副研究员，硕士生导师，主要研究无机氧化物功能材料、电极材料、电解质材料等的合成开发、混合导电陶瓷材料表面的电化学催化机理等。主持广西自然资源科技攻关计划项目、广西重点研发计划项目等多个项目。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Tailoring Photophysical Processes of Er³⁺‐Doped Gd₃Ga₅O₁₂ Garnets for Enhanced Photoluminescence via Al³⁺ Ion Preference Substitution

文章研究方向：

光致发光材料、光学器件— —稀土掺杂、LED、红外温度传感

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70005

DOI: 10.1002/cey2.70005

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▲点击图片查看详情，投稿截止时间2025年10月15日

关于“Carbon Energy”

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。

Carbon Energy 2018年创刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，2020年获批国内统一连续出版物号，连续三年入选“中国最具国际影响力学术期刊”和中国科学院材料科学一区期刊，连续四年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、中国科技核心期刊目录等收录，2024年入选“北京国际图书博览会中国精品期刊展”、中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例和中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。2023年影响因子为19.5，在化学（物理）、能源和燃料、纳米科学与纳米技术三个领域位列全球期刊前十位，在材料科学领域438种期刊中，排名17，位列前3.8%。在此基础上，孵化《碳中和（英文）》和《碳创新（英文）》子刊。

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