Science：新材料将“红外光变成可见光”

自从19世纪白炽灯被发明以来，发光二极管是最重要的进展之一。然而白炽灯在红外波段有很大的能量热耗散，典型的LEDs也仅仅覆盖可见光波段。对于大多数LEDs都是基于GaN晶体的。通过荧光粉可以将窄紫外光波段转化为可见光，冷光源在能源效率方面具有很大的优势，追求其他有效白光发生器的概念包括红绿蓝三基色发生器的结合，这是有机LEDs发展的主要选择。那么，有没有这样直接将非可见光转化为可见光的装置呢？

近日，德国马尔堡大学Nils Wilhelm Rosemann教授团队研发出了一种化合物，它能将近红外光转变成宽波段的白光。该工作对生成可见光提供了一种廉价、有效的手段。此外，该物质所发射的这种光定向性极高，这对需要高度空间分辨力的装置（如显微镜）或用于高通量装置（如投影系统）都是理想属性。该化合物由锡和硫组成，具有金刚石样的结构，通过有机配体支撑包裹。当用激光将近红外光指向并进入该化合物时，它的结构通过一种非线性相互作用过程改变了光的波长，从而产生了人眼可见光线的波长。研究者指出，这种暖性、白色的光与标准的钨卤素光源（2856开尔文）所发出的光非常类似，它可根据用激光所激发的水平进行调整。这一研发或给先进的定向照明技术开启新的途径，尤其是用于这一系统的材料价格低廉、容易获取且能轻易缩放其规模。

图1 分子结构和外观，以及与发射关联的颜色温度图：（A）金刚烷类簇合物，锡原子为蓝色球体，硫原子为黄色球体，灰色线顶点为碳原子，白色端点为氢原子；（B）该化合物粉末的光学照片；（C）在800nm激光亮斑激励作用下，在两层玻璃间的化合物的光学照片；（D）不同连续激光激励下，化合物的颜色温度，已用单个灰色点标注；不同温度下理想黑体辐射特征用实线标注；方块点表示在2856K下，标准发射器的颜色温度。

图2 化合物的发射特征：（A）白光光谱（白色）和980nm连续波激励激光（红色）的高定向空间发射模式，一个完美朗伯发射（灰色）密度分布作为参考；（B）980nm泵浦光源的白光光谱，泵浦功率范围为6mW（浅灰色实线）至18mW（黑色实线），黑体辐射（T=5000K，虚线；T=2856K，间隔点）和基于GaN的白光LED（窄点）的标准化曲线作比较；（C）白光输入-输出特性的双对数图。

图3 光谱和时间发射特性和机制：（A）标准化线性吸收光谱（黑色），在基本电子跃迁能量以上的UV激励的自发辐射（蓝色），和在半对数维度下，红外激光驱动的白光发光光谱（绿色）；（B）自发发射（蓝色）衰减比白光（绿色）显著快；（C）在非简谐电子基态电势下由于电子的加速运动的白光发光过程示意图（实线）；（D）实验测量（固体）和理论计算（虚线）同时表明化合物出色的白光发射光谱；模拟计算不包括驱动激光的散射部分（灰色阴影区域）。

图4 在GaAs衬底上对化合物的成分和结构的功能化表征：（A）EDX光谱表明孔状化合物的Sn元素和S元素及晶体衬底的Ga元素和As元素的分布；（B）自组装单层表明该化合物的长程均匀性和缺乏任何可观察的结构，因此化合物是完全无定形的；该结果也可以从高分辨显微镜照片中看出，在显微镜图片叠置的缩放结构模型说明了该化合物的尺寸大小；（C）在显微镜图片右边叠置的EDX扫描线表明样品组成成分的分布。

【结论】

马尔堡大学Nils Wilhelm Rosemann教授团队设计的化合物可以被制成细小的非晶态粉末，具有非挥发性、空气稳定和热稳定性，在高达572华氏度下仍具有很好的热稳定性。该化合物核心由无机纳米晶体构成，表面包裹着有机配体。当直接近红外激光光束通过该化合物，其独特结构将通过非线性相互作用使光束波长发生改变，出射光束变为可见光。该可见光谱类似于2900K的钨卤素灯颜色，但是仍然保持了优异的光束发散度，出射光仍具有很好的方向性，可满足显微镜高空间分辨率或投影系统高吞吐量要求。该进展将为直接照明技术开辟新路径，特别是该系统材料成本较低，容易获得，具有很强的扩展性。

文献链接：A highly efficient directional molecular white-light emitter driven by a continuous-wave laser diode （Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aaf6138）

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本文由材料人编辑部学术组灵寸供稿，材料牛编辑整理。

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