【Angew. Chem.】“400–1700 nm”全覆盖！Bi³⁺离子实现超宽带发光新突破，量子效率高达88.02%

文章标题：Ultrawideband Emission of Bi³⁺ Ions Spanning Visible to Near‐Infrared Spectral Regions (400 nm–1700 nm)
通讯作者：Dr. Ran Pang，Dr. Su Zhang 文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202520587

文章概要

在光电材料领域，实现从可见光到近红外（NIR）甚至第二近红外区（NIR-II, 1000–1700 nm）的连续发光，一直是科研界追求的目标。传统上，这一任务主要依赖于过渡金属离子（如Ni²⁺、Fe³⁺、Cr³⁺/⁴⁺）作为激活剂，但它们在可见光区的吸收导致稳定性差，难以实现真正的超宽带发光。本文由张宏杰教授团队完成，首次报道了Bi³⁺离子在K₂MgGeO₄（KMGO）基质中实现从400 nm至1700 nm的连续发光，填补了单一材料跨越可见-NIR-NIR-II全光谱的空白。

Bi³⁺离子的潜力被重新定义

Bi³⁺离子因其丰富的电子能级结构，具备优异的可见光发光能力，但其在近红外区的发光潜力长期未被充分挖掘。过去的研究多将NIR发光归因于低价态Bi⁺或Bi²⁺，这些离子通常在玻璃或光纤中通过还原气氛或辐照诱导形成，稳定性差且难以控制。本研究突破性地在晶体粉末材料中实现了由Bi³⁺本征离子主导的NIR发光，避免了低价态的不稳定性。

材料设计与结构解析

研究团队选用K₂MgGeO₄作为宿主材料，通过Bi³⁺离子掺杂，形成KMGO:Bi³⁺体系。该材料晶体结构为正交晶系（空间群Pca2₁），包含多个K⁺和Mg²⁺位点，为Bi³⁺的掺杂提供了多样的选择。第一性原理计算表明，Bi³⁺优先占据Mg²⁺位点，其次为K⁺位点，形成稳定的发光中心。晶体结构的高度畸变环境有助于实现大的Stokes位移和宽带发光。

发光性能：从紫外激发到NIR-II发光

在327 nm紫外激发下，KMGO:Bi³⁺展现出两个互联的发光带：可见光区峰值在614 nm，NIR区峰值在1125 nm，后者的半高宽（FWHM）超过340 nm，远超传统过渡金属掺杂材料。内部量子效率（IQE）高达88.02%，外部量子效率（EQE）也达到66.41%，显示出优异的发光性能。

通过光致发光（PL）和激发光谱（PLE）分析，研究确认两个发光带均源于Bi³⁺的¹S₀→³P₁跃迁，分别对应其在K⁺和Mg²⁺位点的占据。该统一发光机制得到浓度依赖性发光、激发光谱重合、寿命测量和理论计算的多重验证。

排除低价态Bi的干扰

为排除低价态Bi离子的可能性，研究团队系统分析了激发光谱，未发现Bi⁺或Bi²⁺特征吸收带（如400–800 nm区间的跃迁），并通过掺杂Cr³⁺、Fe³⁺、Ni²⁺等已知NIR发光离子进行对照实验，未观察到NIR发光，进一步确认发光源为Bi³⁺。

此外，在超低浓度Bi³⁺掺杂下，NIR发光仍然存在，且强度相对增强，排除了Bi³⁺-Bi³⁺对或簇集导致的低能发光机制。

材料稳定性与应用前景

KMGO:Bi³⁺在可见光区几乎无吸收，避免了与其他可见光发光材料混合时的重吸收问题，显著提升了稳定性。这一特性使其成为理想的单组分超宽带发光材料，适用于多光谱分析、传感器、光伏器件、光电子器件以及新一代照明与显示技术。

总结与展望

本研究首次实现了由Bi³⁺离子主导的400–1700 nm连续发光，打破了传统材料在可见-NIR-NIR-II区间发光的局限，提出了稳定、高效、可控的发光机制。该成果不仅拓展了Bi³⁺离子的应用边界，也为超宽带发光材料的设计提供了新思路，具有重要的科学意义与应用价值。未来，该材料有望在多通道光源、集成光电子器件等领域发挥关键作用。