近紅外發光材料是近紅外光源的重要部分。然而光源器件在工作過程中發熱，溫度可達到100-150°C，而在此環境下發光材料常常會出現熱猝滅現象，發光強度隨環境溫度上升而顯著下降。因此，亟需開發高效率，熱穩定性高的近紅外發光材料。近日，應用物理與材料學院發光材料與器件研究團隊的溫大尉博士與中山大學的吳明娒教授以及臺灣大學的劉如熹教授合作，以近紅外發光離子Cr³⁺摻雜CaScAlSiO₆-CaMgSi₂O₆輝石固溶體作為研究對象，通過晶體結構的無序至有序轉變的策略設計，提高了輝石材料的結構剛性，材料的熱穩定性明顯得到改善。相關的研究成果發表在國際權威期刊Angewandte Chemie International Edition上（Dawei Wen, Hongmin Liu, Yue Guo, Qingguang Zeng, Rushi Liu，Disorder-order Conversion-induced Enhancement of Thermal Stability of Pyroxene NIR Phosphors， Angewandte Chemie International Edition 2022, DOI:10.1002/anie.202204411）。

圖1. (a) CaScAlSiO₆的晶體結構，(b) CaMgSi₂O₆的晶體結構，
(c) CaSc_0.995-xMg_xAl_1-xSi_1+xO₆:0.5%Cr³⁺強度歸一化發射光譜（激發峰450 nm），(d) CaSc_0.995-xMg_xAl_1-xSi_1+xO₆:0.5%Cr³⁺隨溫度變化的發光強度積分。

在輝石礦物CaScAlSiO₆晶體中，Al³⁺和Si⁴⁺以50% vs. 50%的占有率占據8個C格位。即4個Al³⁺和4個Si⁴⁺隨機進入8個位置，根據數學計算，共有70種可能性。材料的發光性能受發光離子所處的局域環境影響。通過組合數學的窮舉法結合密度泛函理論計算，深入分析所有可能性并計算電子結構和彈性性質。經過成分調控，可形成連續固溶體CaSc_0.995-xMg_xAl_1-xSi_1+xO₆:0.5%Cr³⁺，并完成從無序到有序的結構變化。隨著固溶體徹底轉化為有序的CaMgSi₂O₆:Cr³⁺，發射光譜藍移，半峰寬變小，熱穩定性能和量子效率都得到優化，同時徳拜溫度也不斷上升，從CaScAlSiO₆的561.86 K到CaMgSi₂O₆的675.63 K。

圖2. (a) 460 nm藍光芯片與CaMgSi₂O6:Cr₃₊熒光粉制成光源的光譜，(b) 隨輸入電流增加光源發光強度變化曲線，(c) 近紅外光源結合紅外相機探測研缽瑪瑙杵的裂痕，(d) 近紅外光源結合紅外相機探測卡片內部芯片位置。

近紅外光具有不可見、穿透性優良以及波長與有機分子吸收譜重疊等特點，在夜視防盜、材料和食品檢測等方面有著巨大的應用前景。CaMgSi₂O₆:Cr³⁺發光材料通過與藍光芯片組合后，CaMgSi₂O₆:Cr³能吸收大部分的藍光并轉化成近紅外光，在各種工件中的表面和物體內部裂痕傷痕探測方面具有明顯的應用優勢。