Science：新材料將“紅外光變成可見光”

自從19世紀白熾燈被發明以來，發光二極管是最重要的進展之一。然而白熾燈在紅外波段有很大的能量熱耗散，典型的LEDs也僅僅覆蓋可見光波段。對于大多數LEDs都是基于GaN晶體的。通過熒光粉可以將窄紫外光波段轉化為可見光，冷光源在能源效率方面具有很大的優勢，追求其他有效白光發生器的概念包括紅綠藍三基色發生器的結合，這是有機LEDs發展的主要選擇。那么，有沒有這樣直接將非可見光轉化為可見光的裝置呢？

近日，德國馬爾堡大學Nils Wilhelm Rosemann教授團隊研發出了一種化合物，它能將近紅外光轉變成寬波段的白光。該工作對生成可見光提供了一種廉價、有效的手段。此外，該物質所發射的這種光定向性極高，這對需要高度空間分辨力的裝置（如顯微鏡）或用于高通量裝置（如投影系統）都是理想屬性。該化合物由錫和硫組成，具有金剛石樣的結構，通過有機配體支撐包裹。當用激光將近紅外光指向并進入該化合物時，它的結構通過一種非線性相互作用過程改變了光的波長，從而產生了人眼可見光線的波長。研究者指出，這種暖性、白色的光與標準的鎢鹵素光源（2856開爾文）所發出的光非常類似，它可根據用激光所激發的水平進行調整。這一研發或給先進的定向照明技術開啟新的途徑，尤其是用于這一系統的材料價格低廉、容易獲取且能輕易縮放其規模。

圖1 分子結構和外觀，以及與發射關聯的顏色溫度圖：（A）金剛烷類簇合物，錫原子為藍色球體，硫原子為黃色球體，灰色線頂點為碳原子，白色端點為氫原子；（B）該化合物粉末的光學照片；（C）在800nm激光亮斑激勵作用下，在兩層玻璃間的化合物的光學照片；（D）不同連續激光激勵下，化合物的顏色溫度，已用單個灰色點標注；不同溫度下理想黑體輻射特征用實線標注；方塊點表示在2856K下，標準發射器的顏色溫度。

圖2 化合物的發射特征：（A）白光光譜（白色）和980nm連續波激勵激光（紅色）的高定向空間發射模式，一個完美朗伯發射（灰色）密度分布作為參考；（B）980nm泵浦光源的白光光譜，泵浦功率范圍為6mW（淺灰色實線）至18mW（黑色實線），黑體輻射（T=5000K，虛線；T=2856K，間隔點）和基于GaN的白光LED（窄點）的標準化曲線作比較；（C）白光輸入-輸出特性的雙對數圖。

圖3 光譜和時間發射特性和機制：（A）標準化線性吸收光譜（黑色），在基本電子躍遷能量以上的UV激勵的自發輻射（藍色），和在半對數維度下，紅外激光驅動的白光發光光譜（綠色）；（B）自發發射（藍色）衰減比白光（綠色）顯著快；（C）在非簡諧電子基態電勢下由于電子的加速運動的白光發光過程示意圖（實線）；（D）實驗測量（固體）和理論計算（虛線）同時表明化合物出色的白光發射光譜；模擬計算不包括驅動激光的散射部分（灰色陰影區域）。

圖4 在GaAs襯底上對化合物的成分和結構的功能化表征：（A）EDX光譜表明孔狀化合物的Sn元素和S元素及晶體襯底的Ga元素和As元素的分布；（B）自組裝單層表明該化合物的長程均勻性和缺乏任何可觀察的結構，因此化合物是完全無定形的；該結果也可以從高分辨顯微鏡照片中看出，在顯微鏡圖片疊置的縮放結構模型說明了該化合物的尺寸大小；（C）在顯微鏡圖片右邊疊置的EDX掃描線表明樣品組成成分的分布。

【結論】

馬爾堡大學Nils Wilhelm Rosemann教授團隊設計的化合物可以被制成細小的非晶態粉末，具有非揮發性、空氣穩定和熱穩定性，在高達572華氏度下仍具有很好的熱穩定性。該化合物核心由無機納米晶體構成，表面包裹著有機配體。當直接近紅外激光光束通過該化合物，其獨特結構將通過非線性相互作用使光束波長發生改變，出射光束變為可見光。該可見光譜類似于2900K的鎢鹵素燈顏色，但是仍然保持了優異的光束發散度，出射光仍具有很好的方向性，可滿足顯微鏡高空間分辨率或投影系統高吞吐量要求。該進展將為直接照明技術開辟新路徑，特別是該系統材料成本較低，容易獲得，具有很強的擴展性。

文獻鏈接：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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本文由材料人編輯部學術組靈寸供稿，材料牛編輯整理。

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