（化材学院 夏茂），近日，我校周智教授课题组基于对蓝光发射荧光粉α-Sr₂P₂O₇:Eu²⁺的固溶体结构设计，成功实现了α-Sr₂P₂O₇到σ-Ba₂P₂O₇的连续可调可控合成，并最终使得该荧光粉的光量子效率和热稳定性得到了空前的提高，相关最新研究成果以“Pyrophosphate phosphor solid solution with high quantum efficiency and thermal stability for efficient LED lighting”为题在线发表于《Cell》子刊《iScience》上。该论文由化学与材料科学学院周智教授、中山大学王静教授和香港理工大学黄维杨教授共同指导完成。2017级硕士研究生钟圆和夏茂讲师为本论文的共同第一作者，湖南农业大学为第一通讯单位。

近年来，由于全球气候变暖，雾霾、酸雨、洪涝等极端天气频发，对传统“靠天吃饭”的露天植物播种模式的农产品质量和产量产生了极大的影响。基于室内植物栽培的设施农业由于其植物生长环境可控，集约化种植等独有的优点而得到了极大的关注。人工光源是设施农业中进行植物补光的主要手段。当前，大量的研究主要集中于Mn⁴⁺和Cr³⁺掺杂的红光/深红光发射荧光粉，对于蓝光特别是深蓝光波段发光体的报道较少。而在已有的对于蓝色发光体的研究中，2,4,6-三苯基嘧啶、CsPbCl₃钙钛矿纳米晶和金属卤化物(C₆H₅CH₂NH₃)₂Pb·Br₄均被视为优异的蓝光发射材料。然而，晶体表面的有机配体或内部的有机官能团决定了该类化合物具有较差的环境稳定性。另外，材料制备过程繁琐、原材料价格高昂同样使得该类化合物不适用于农业领域。因此，最有效的途径还是寻找一种高光效、高热稳定性的全无机发光材料。在荧光粉晶格内引入同主族的元素（如Ca²⁺→Sr²⁺→Ba²⁺）进行固溶体设计和晶胞结构共取代（如A³⁺+ B⁺→C²⁺+ C²⁺）能够有效调控荧光粉的电子结构及物理化学性质，是提升荧光粉发光性能和热稳定性能很有前景的策略。

在上述工作中，我们通过α-Sr₂P₂O₇:Eu²⁺蓝色荧光粉中进行简单的Ba²⁺ →Ca²⁺取代，成功地实现了该荧光粉的内量子效率和热稳定性质的突破，起到了“一石二鸟”的效果。研究发现，Ba²⁺取代能够使该荧光粉的物相结构从α-Sr₂P₂O₇逐渐演变为σ-Ba₂P₂O₇相。当取代量为30 mol%时得到α-Sr₂P₂O₇和σ-Ba₂P₂O₇的过渡相。在此条件下，该荧光粉的内量子效率从原来的74%提高到了100%。对该材料的进一步表征发现Ba²⁺取代有利于提高Eu²⁺在单独Sr²⁺位点的浓度，演唱Eu²⁺发光中心的荧光寿命，减少荧光粉内部非辐射跃迁的形成和发光中心到猝灭中心的能量损失，从而提高该荧光粉的发光强度。同时，我们发现Ba²⁺的引入同样有利于该荧光粉热稳定性的提高。例如在150℃的测试条件下，Ba²⁺取代量为30 mol%样品的热稳定性从原来的99%提高到了124%。进一步的热释光谱测试结果表明：Ba²⁺的引入在荧光粉内部形成了不同能量深度的缺陷能级。常温下，这些缺陷能级会储存能量。当荧光粉受到外界热刺激时，其内部的能量便会以发光的形式在不同的温度下释放出来，以此来补偿荧光粉由于受热造成的光损失。DFT计算结果有力支撑了通过Ba²⁺取代调控实现提升荧光粉发光性能和热稳定性的理论基础。我们将最后得到的荧光粉组装成荧光粉激发型LED发光器件，结果表明该器件具有较高的显色指数（86.8）、低色温（3831 K）和较高的流明效率（45.9 lm·W^-1）。另外该荧光粉的发光波段与植物生长色素对光的吸收能够较好地匹配，证明了其在室内植物栽培领域内的潜在应用前景。该研究工作为进一步提高荧光粉的量子效率和热稳定性提供了指导。本工作得到了国家自然科学基金（Nos. 51974123, 21706060, 51703061）、2018年湖南省研究生科研创新项目（No. CX2018B396）、湖南省光学农业工程技术研究中心（No. 2018TP2003）、湖南农业大学科研基金（No. 19QN11）和香港理工大学（Nos. 1-ZE1C; 847S）的资助。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589004220300766