实验室王伟超&周博&张勤远教授团队：基于玻璃相图调控的高结晶度透明微晶玻璃实现无封装、高量子效率近红外二区微型光源

近红外二区（NIR-II，1000–1700 nm）发光因其组织散射小、穿透深度大、信噪比高等优点，在生物医学成像、无损检测与夜视探测等领域具有重要应用前景。随着这些应用从实验室验证向实际场景推进，对近红外光源在输出功率、光谱覆盖、热稳定性以及器件微型化与集成度方面提出了更高要求。现有近红外光源多由蓝光发光二极管（LED）激发荧光转换材料实现，其中Cr^3⁺/Ni²⁺共掺能量传递体系被视为在蓝光激发下覆盖NIR-II宽带发射的可行途径。然而，该体系性能高度依赖基体的晶相与局域结构。更关键的是，当前构建荧光转换LED（pc-LED）普遍依赖聚合物封装；在NIR-II波段，封装材料的本征吸收与低热导率严重限制了器件在高功率条件下的输出、光谱稳定性与长期可靠性。因此，仅在器件层面改进难以突破根本瓶颈。开发一种无需聚合物封装、可直接与芯片集成的整体式高性能荧光转换体，对实现紧凑、稳定、高可靠的NIR-II光源至关重要。

华南理工大学王伟超、周博、张勤远教授团队基于玻璃成分设计与相图调控，提出以高结晶度透明微晶玻璃作为整体式转换器的无封装NIR-II光源方案，成功制备并演示了近红外二区微晶玻璃转换发光二极管（GCc-LED）。该工作从材料设计源头切入，解决了传统pc-LED对封装材料的依赖，为突破NIR-II光源在结构集成、热管理与长期可靠性方面的限制提供了新路径。

研究团队以玻璃形成区与相图为理论依据，系统分析Na₂O–MgO–SiO₂体系及Ga₂O₃–MgO相图，指导微晶玻璃的成分设计与结晶行为调控，成功制备出结晶度高达83.46%且透明度优异的MgGa₂O₄:Cr³⁺/Ni²⁺透明微晶玻璃（图1）。该材料可作为单片、刚性的一体化荧光转换器直接与蓝光LED芯片集成，从物理结构上消除了对聚合物封装的需求，从根本上避免了封装材料带来的光吸收与散热障碍。

图1 MgGa₂O₄:Cr³⁺/Ni²⁺透明微晶玻璃的制备工艺与结构表征

通过精确调控基体的晶相分布与离子配位环境，实现了Cr³⁺→Ni²⁺之间的高效能量传递，使材料在NIR-II波段获得了宽光谱、稳定且高效的发射（图2）。该材料的外量子效率达到49.4%，在同类无封装、单片集成的微晶玻璃光源中表现突出。此外，高结晶度微晶玻璃相较于有机封装材料与常规玻璃具有更高的热导率，有利于器件散热，显著缓解传统pc-LED的热积累问题，从而提升热稳定性与运行可靠性。

图2.MgGa₂O₄:Cr³⁺/Ni²⁺透明微晶玻璃的近红外发光特性

基于该微晶玻璃转换器构建的GCc-LED器件，在标准驱动电流（320mA）下实现了114.1 mW的NIR-II光输出，展现出作为紧凑型光源的实用功率水平，验证了材料-器件协同设计策略的有效性。更重要的是， 所构建的无封装器件在NIR无损检测、夜视成像和生物成像等对光源尺寸、稳定性与集成度有严格要求的应用中表现优异（图3），凸显其在实际微型化光电系统中的应用潜力。

图3 NIR GCc-LED 器件的应用展示

相关成果以“AHigh-Crystallinity Transparent Glass-Ceramic Enables Encapsulant-Free, High Quantum Efficiency NIR-II Miniature Light Source”发表在Advanced Functional Materials。论文通讯作者为王伟超、周博教授，第一作者为博士生张平。研究得到国家自然科学基金（52130201、52572004）、广州市基础与应用基础研究基金（2024 A04 J 4226）及发光材料与器件全国重点实验室（Skllmd-2024-3，Skllmd-2025-11）的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202530116