稀土元素丰富的电子轨道赋予其优异的发光性能，其中，Eu(II)凭借高效的5d-4f跃迁发光，广泛应用在照明、显示、传感等领域，但Eu(II)在绝大多数掺杂基质中的发射波长主要位于可见光区域（400 ~ 700 nm），且现有的Eu(II)掺杂的近红外荧光材料发光效率较低（如发射波长740 nm时，量子效率仅为15%），限制了其在近红外监测和传感等领域的应用。经典发光理论认为Eu(II) 5d-4f的发射波长主要与其掺杂基质的局域配位结构有关，研制Eu(II)掺杂的高效近红外荧光材料的关键在于挖掘合适的基质材料，但传统试错法发现新材料的效率低下。
图1：Eu(II)发射波长预测模型（左）和高通量筛选近红外荧光材料基质（右）
针对这一难题，本研究结合经典发光理论和材料大数据分析技术，建立了Eu(II)发射波长与掺杂基质的化学组成、局域配位结构、电子能带结构相关的6个参数的定量关系，获得了预测Eu(II)发射波长的物理模型（预测误差<7 nm）。利用该理论预测模型与高通量计算相集合，从无机晶体结构数据库中成功筛选出5个近红外荧光材料基质，并获得实验验证，从而发现了迄今为止发射波长最长的Eu(II)掺杂的近红外荧光材料，即(Sr,Ba)3Li4Si2N6:Eu(II)，其发射波长为830 nm，蓝光激发下的量子效率为30%。最后，展示了该材料在虹膜识别、监测和支付系统（810-830 nm）中的潜在应用。本研究突破了基于现象学发光理论和第一性原理预测发射波长时存在的计算成本高、周期长、误差较大等瓶颈问题，通过建立发射波长的预测模型，并与高通量计算筛选结合，不仅拓展了传统发光学理论，还为定向设计新型发光材料和理解发光性能提供了新方法。
本研究工作由厦门大学和加州大学合作完成。厦门大学青年教师李淑星和加州大学Mahdi Amachraa博士为论文第一作者，厦门大学解荣军教授、加州大学王振斌博士和Shyue Ping Ong教授为论文通讯作者。共同作者还包括中国计量大学王乐教授和加州大学Chi Chen博士。重庆邮电大学马崇庚教授为本工作提供了指导和建议。研究工作得到国家自然科学基金重点项目（项目批准号51832005）等资助。
论文信息：Li et al., Efficient near-infrared phosphors discovered by parametrizing the Eu(II) 5d-to-4f energy gap, Matter (2022), https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.04.009
