Progress on Cr3+-Doped Broadband Near-Infrared Phosphors

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.230288

Chinese Journal of Applied Chemistry ›› 2024, Vol. 41 ›› Issue (3): 328-339.DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.230288

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Progress on Cr³⁺-Doped Broadband Near-Infrared Phosphors

Zi-Wei LU¹^,², Yong-Fu LIU¹(), Zhao-Hua LUO¹, Peng SUN¹, Jun JIANG¹()

^1.Ningbo Institute of Materials Technology & Engineering，Chinese Academy of Sciences，Ningbo 315201，China
^2.School of Materials Science and Chemical Engineering，Ningbo University，Ningbo 315211，China

Received:2023-09-22 Accepted:2023-12-11 Published:2024-03-01 Online:2024-04-09
Contact: Yong-Fu LIU,Jun JIANG
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(12074393);the Zhejiang Provincial Natural Science Foundation of China(LZ23A040001);the Youth Innovation Promotion Association Chinese Academy of Sciences(2021295)

Abstract

Abstract:

Near-infrared phosphor-converted light-emitting diodes （NIR pc-LEDs） are expected to be the next-generation NIR light sources， with the advantages of small size， broad bandwidth， and easy tuning of emission peaks. The key for NIR pc-LEDs is to develop highly efficient broadband NIR phosphors that can be effectively excited by blue light. Cr³⁺-activated NIR phosphors have been widely studied， and this paper reviews the development of Cr³⁺-doped NIR phosphors peaked at 800~900 nm. Based on phosphates， pyroxenes， and other systems， the relationships between the structure and the emission peak and bandwidth are summarized. Furthermore， to enhance the NIR performance， strategies of synthesis technology optimization， components design， and co-doping sensitizers are discussed in detail.

Key words: Near-infrared phosphors, 800~900 nm, Cr³⁺, Yb³⁺, Phosphates, Borates, Pyroxenes

CLC Number:

O644

Zi-Wei LU, Yong-Fu LIU, Zhao-Hua LUO, Peng SUN, Jun JIANG. Progress on Cr³⁺-Doped Broadband Near-Infrared Phosphors[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2024, 41(3): 328-339.

Figures/Tables 9

Table 1 λex， λem， FWHM， IQE， EQE and I423 K/I298 K of phosphates， borates， pyroxenes and other phosphors

Phosphors	λ_ex/nm	λ_em/nm	FWHM/nm	IQE/%	EQE/%	I_{423 K}/I_{298 K} （%）	Ref.
KAlP₂O₇∶Cr³⁺	450	790	120	78.9	31.1	77	［18］
NaAlP₂O₇∶Cr³⁺	450	790	121	49.7	14.6	80.6	［20］
NaGaP₂O₇∶Cr³⁺	460	793	115	56.4	25.89	85.45	［16］
KGaP₂O₇∶Cr³⁺	455	815	125	55.8	36.6	68	［23］
KGaP₂O₇∶Cr³⁺	460	815	127	74.4	33.3	56	［19］
LiGaP₂O₇∶Cr³⁺	452	846	168	47.8	28.3	~23	［13］
LiInP₂O₇∶Cr³⁺	460	860	165	19.5	9.36	~22	［15］
NaInP₂O₇∶Cr³⁺	480	870	150	28.2	14.05	20	［17］
KScP₂O₇∶Cr³⁺	470	870	153	/	/	~13	［23］
KInP₂O₇∶Cr³⁺	473	880	163	/	/	40	［23］
LiScP₂O₇∶Cr³⁺	470	~880	170	38	20	~20	［14］
KLuP₂O₇∶Cr³⁺	480	900	178	/	/	5	［23］
NaScP₂O₇∶Cr³⁺	472	910	200	14.9	/	/	［21］
ScBO₃∶Cr³⁺	460	800	120	65	/	49	［25］
InBO₃∶ Cr³⁺	480	820	138	62	/	55	［26］
CeSc₃（BO₃）₄∶Cr³⁺	471	822	/	65.8	16.05	/	［31］
Lu_0.2Sc_0.8BO₃∶Cr³⁺	463	830	155	26.1	/	27.90	［24］
Y_0.57La_0.72Sc_2.71（BO₃）₄∶Cr³⁺	466	850	172	41.1	/	~21	［27］
LaSc_2.4Ga_0.6（BO₃）₄∶Cr³⁺	460	850	~180	52.12	/	55.35	［28］
LaSc₃（BO₃）₄∶Cr³⁺	460	871	~180	23.29	/	30.2	［28］
LaSc_2.5Y_0.5（BO₃）₄∶Cr³⁺	467	876	~200	29.7	/	~59	［29］
LaSc_1.2Ca_0.9Si_0.9（BO₃）₄∶Cr³⁺	469	880	~200	/	/	52.68	［30］
CaMgSi₂O₆∶Cr³⁺	455	~800	~150	77.50	21.60	~92	［36］
LiInSi₂O₆∶Cr³⁺	460	840	143	75	-	~77	［33］
Mg₂Ge₂O₆∶Cr³⁺	454	844	~172	65.4	28.5	~33	［41］
CaMgGe₂O₆∶Cr³⁺	450	845	160	84	30	＞50	［43］
LiScSi₂O₆∶Cr³⁺	460	845	156	64.4	33.4	75	［34］
NaScSi₂O₆∶Cr³⁺	480	860	149	22.2	10.2	69	［34］
（Mg_0.6Li_0.4）（Mg_0.6Sc_0.4）Ge₂O₆∶Cr³⁺	460	874	~182	66.6	31.5	~42	［41］
Li（Ga_0.24Sc_0.7）Ge₂O₆∶6%Cr³⁺	470	875	192	70.6	47.9	32	［44］
NaSc（Si_1.8Ge_0.2）O₆∶Cr³⁺	470	~875	/	/	/	60	［45］
LiInGe₂O₆∶Cr³⁺	460	880	172	81.2	39.8	~30	［37］
LiIn（Si_0.7Ge_1.3）O₆∶Cr³⁺	470	881	185	/	/	~32	［42］
LiScGe₂O₆∶Cr³⁺	480	886	160	72.6	39.9	＜41.9	［38］
NaScGe₂O₆∶Cr³⁺	490	895	162	40.22	/	~20.5	［39］
NaInGe₂O₆∶Cr³⁺	480	900	173	34	/	~25	［40］
CaScAlSiO₆∶Cr³⁺	460	950	205	21	/	~28	［35］
CaSc_0.85Al_1.15SiO₆∶Cr³⁺	460	950	/	30	9	~52	［35］
GaTaO₄∶Cr³⁺	460	840	140	91.2	31.3	60	［47］
ScF₃∶Cr³⁺	468	853	140	45	/	85.5	［48］
Ca₂LaZr₂Ga_2.8Al_0.2O₁₂∶Cr³⁺	450	820	160	58.3	23.5	64	［49］
La₂MgZrO₆∶Cr³⁺	460	825	210	~58	/	/	［50］

Table 1 λex， λem， FWHM， IQE， EQE and I423 K/I298 K of phosphates， borates， pyroxenes and other phosphors

Phosphors	λ_ex/nm	λ_em/nm	FWHM/nm	IQE/%	EQE/%	I_{423 K}/I_{298 K} （%）	Ref.
KAlP₂O₇∶Cr³⁺	450	790	120	78.9	31.1	77	［18］
NaAlP₂O₇∶Cr³⁺	450	790	121	49.7	14.6	80.6	［20］
NaGaP₂O₇∶Cr³⁺	460	793	115	56.4	25.89	85.45	［16］
KGaP₂O₇∶Cr³⁺	455	815	125	55.8	36.6	68	［23］
KGaP₂O₇∶Cr³⁺	460	815	127	74.4	33.3	56	［19］
LiGaP₂O₇∶Cr³⁺	452	846	168	47.8	28.3	~23	［13］
LiInP₂O₇∶Cr³⁺	460	860	165	19.5	9.36	~22	［15］
NaInP₂O₇∶Cr³⁺	480	870	150	28.2	14.05	20	［17］
KScP₂O₇∶Cr³⁺	470	870	153	/	/	~13	［23］
KInP₂O₇∶Cr³⁺	473	880	163	/	/	40	［23］
LiScP₂O₇∶Cr³⁺	470	~880	170	38	20	~20	［14］
KLuP₂O₇∶Cr³⁺	480	900	178	/	/	5	［23］
NaScP₂O₇∶Cr³⁺	472	910	200	14.9	/	/	［21］
ScBO₃∶Cr³⁺	460	800	120	65	/	49	［25］
InBO₃∶ Cr³⁺	480	820	138	62	/	55	［26］
CeSc₃（BO₃）₄∶Cr³⁺	471	822	/	65.8	16.05	/	［31］
Lu_0.2Sc_0.8BO₃∶Cr³⁺	463	830	155	26.1	/	27.90	［24］
Y_0.57La_0.72Sc_2.71（BO₃）₄∶Cr³⁺	466	850	172	41.1	/	~21	［27］
LaSc_2.4Ga_0.6（BO₃）₄∶Cr³⁺	460	850	~180	52.12	/	55.35	［28］
LaSc₃（BO₃）₄∶Cr³⁺	460	871	~180	23.29	/	30.2	［28］
LaSc_2.5Y_0.5（BO₃）₄∶Cr³⁺	467	876	~200	29.7	/	~59	［29］
LaSc_1.2Ca_0.9Si_0.9（BO₃）₄∶Cr³⁺	469	880	~200	/	/	52.68	［30］
CaMgSi₂O₆∶Cr³⁺	455	~800	~150	77.50	21.60	~92	［36］
LiInSi₂O₆∶Cr³⁺	460	840	143	75	-	~77	［33］
Mg₂Ge₂O₆∶Cr³⁺	454	844	~172	65.4	28.5	~33	［41］
CaMgGe₂O₆∶Cr³⁺	450	845	160	84	30	＞50	［43］
LiScSi₂O₆∶Cr³⁺	460	845	156	64.4	33.4	75	［34］
NaScSi₂O₆∶Cr³⁺	480	860	149	22.2	10.2	69	［34］
（Mg_0.6Li_0.4）（Mg_0.6Sc_0.4）Ge₂O₆∶Cr³⁺	460	874	~182	66.6	31.5	~42	［41］
Li（Ga_0.24Sc_0.7）Ge₂O₆∶6%Cr³⁺	470	875	192	70.6	47.9	32	［44］
NaSc（Si_1.8Ge_0.2）O₆∶Cr³⁺	470	~875	/	/	/	60	［45］
LiInGe₂O₆∶Cr³⁺	460	880	172	81.2	39.8	~30	［37］
LiIn（Si_0.7Ge_1.3）O₆∶Cr³⁺	470	881	185	/	/	~32	［42］
LiScGe₂O₆∶Cr³⁺	480	886	160	72.6	39.9	＜41.9	［38］
NaScGe₂O₆∶Cr³⁺	490	895	162	40.22	/	~20.5	［39］
NaInGe₂O₆∶Cr³⁺	480	900	173	34	/	~25	［40］
CaScAlSiO₆∶Cr³⁺	460	950	205	21	/	~28	［35］
CaSc_0.85Al_1.15SiO₆∶Cr³⁺	460	950	/	30	9	~52	［35］
GaTaO₄∶Cr³⁺	460	840	140	91.2	31.3	60	［47］
ScF₃∶Cr³⁺	468	853	140	45	/	85.5	［48］
Ca₂LaZr₂Ga_2.8Al_0.2O₁₂∶Cr³⁺	450	820	160	58.3	23.5	64	［49］
La₂MgZrO₆∶Cr³⁺	460	825	210	~58	/	/	［50］

Fig.1 （A） Crystal structure and （B） photoluminescence excitation （PLE） and photoluminescence （PL） spectra of LiGaP2O7∶Cr3+［13］. （C） Radar graph （Emission peak， FWHM， IQE， I423 K/I298 K） of ALnP2O7∶Cr3+ （A=Li， Na， K； Ln=Al， Ga， Sc， In）［13-20］

Fig.2 （A） Crystal structure and （B） PLE and PL spectra of Lu/ScBO3∶Cr3+［24］；（C） Crystal structure and （D） PLE and PL spectra of LaSc3（BO3）4∶Cr3+［28］

Fig.3 Radar graph （Emission peak， FWHM， IQE， I423 K/I298 K） of XBO3 （X=Sc， In， Lu） and ALn3（BO3）4∶Cr3+ （A=Y， La； Ln=Sc， Y， Ga）［24-29］

Fig.4 （A） Crystal structure and （B） PLE and PL spectra of LiScSi2O6∶Cr3+［32］；（C） Crystal structure and （D） PLE and PL spectra of LiInGe2O6∶Cr3+［37］；（E） Radar graph （Emission peak， FWHM， IQE， I423 K/I298 K） of ALn（Si，Ge）2O6∶Cr3+ （A=Li， Na， Ca， Mg； Ln=In， Sc， Mg）［33-41］

Fig.5 （A） Crystal structure and （B） PL and PLE spectra of GaTaO4∶Cr3+［47］；（C） Crystal structure and （D） PL and PLE spectra of ScF3∶Cr3+［48］；（E） Crystal structure and （F） PL and PLE spectra of Ca2LaZr2Ga2.8Al0.2O12∶Cr3+［49］

Fig.6 （A） Relative PL intensities of LiScSi2O6∶10%Cr3+，y% （mass percent） Li2CO3. The inset shows relative PL intensities of the LiScSi2O6∶10%Cr3+ with different fluxes［34］?；（B） Relative PL intensities of LiScSi2O6∶Cr3+ and NaScSi2O6∶Cr3+ at different temperatures with and without fluxes［34］；（C） PL spectra of Mg4Ta2O9∶3%Cr3+ and Mg4Ta2O9∶3%Cr3+，M+ （M=K， Na， and Li）. The inset shows relative PL intensities and EQE［51］?；（D） Diffuse reflectance spectra of Mg4Ta2O9， Mg4Ta2O9∶3%Cr3+ and Mg4Ta2O9∶3%Cr3+，M+ （M=K， Na， and Li）［51］；（E） PL intensities for LiGaP2O7∶Cr3+ in air and 5% H2 atmosphere［13］?；（F） PL intensities for LiGaP2O7∶Cr3+ at different sintering times［13］

Fig.7 （A） Schematic diagrams of the bandgaps of the LiScP2O7 and LiGaP2O7 host；（B） Temperature-dependent integrated PL intensity and the fitting curves based on Arrhenius formula of LiScP2O7∶Cr3+ and LiGaP2O7∶Cr3+［13］；（C） Crystal structures of CaScAlSiO6 and CaMgSi2O6［46］；（D） The relative total energies of four types of the stable local structures of CaScAlSiO6 calculated by DFT［46］；（E） Integrated emission intensities of CaSc0.995－x MgAl1－x Si1+x O6∶0.5%Cr3+ （x=0， 0.25， 0.8， 0.995） at different temperatures［46］?；（F） Schematic diagrams of Ga3+ replacing Sc3+［28］；（G） Tanabe-Sugano diagram of Cr3+［28］；（H） The emission intensities and peak wavelengths of LaSc2.93－y Ga y （BO3）4∶0.07Cr3+ （0≤y≤1.5）［28］

Fig.8 （A） Energy-level diagram and energy transfer process form Cr3+ to Yb3+［52］；（B） PL spectra of LiGaP2O7∶12%Cr3+ and LiGaP2O7∶12%Cr3+，3.5%Yb3+［52］；（C） PL intensities of Cr3+ and Yb3+ in Lu0.2Sc0.8BO3∶Cr3+，yYb3+ and the ratio of Yb3+/Cr3+［24］；（D） Normalized integrated intensities of LiScSi2O6∶6%Cr3+，14%Yb3+ and LiScSi2O6∶6%Cr3+ and fitting curve based on Arrhenius formula［32］

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Progress on Cr³⁺-Doped Broadband Near-Infrared Phosphors

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