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福建物构所稀土发光材料热稳定性的微观物理机制研究取得重大进展

来源:福建物构所 日期:2022-04-21 加入收藏

 
  稀土发光材料由于在固态照明、液晶显示及医学影像等方面有着重要的应用,是合成化学和材料科学领域研究的一个重点。稀土发光材料发光的热稳定性是衡量材料能否实现实际应用的一个关键指标,但当前大部分材料随着温度的升高发射光谱会发生移动且发光效率会降低,从而影响器件的正常工作。该现象的发现已经有几十年的历史,但其微观物理机制一直没有解决。

  在国家重点研发计划、国家自然科学基金、福建省自然科学基金等项目的资助下,福建物构所结构化学国家重点实验室邓水全研究员研究团队,通过基于密度泛函理论的第一性原理计算方法和模型计算,对稀土发光材料发光热稳定性的微观物理机制进行了研究。

  该工作首先通过构建大量的结构模型,发展了高通量计算方法和能量筛选技术,确定了能量最优结构,首次发现并解释了缺陷体系的总能量与掺杂离子-空穴距离之间的对数关系,而非库仑关系。

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图1(a)RbLi[Li3SiO4]2:Eu2+所有结构模型的能量分布图;(b)RbLi[Li3SiO4]2:Eu2+中结构模型的总能量与距离之间的对数关系;(c)RbLi[Li3SiO4]2:Eu2+中局域声子振动的势能曲线及拟合曲线;(d)电子态与局域声子的耦合作用对发光过程的影响。

  基于确定的结构模型,计算了系列荧光粉材料的电子结构,通过电子结构的计算分析确定了稀土发光材料的发光机理。考虑到稀土发光材料发光的局域性特征,研究了发光中心的局域性质对荧光粉材料发光热稳定性的影响。采用冷冻声子方案研究了发光过程中相关电子态与局域声子的耦合作用及温变规律,首次明确给出了荧光粉材料热致发光蓝移的微观物理图像。

  迄今为止,对热淬灭现象的解释都是基于凝聚物理理论的大家诺贝尔奖获得者N.F. Mott的唯象模型。本工作将热淬灭现象考虑为热致谱线移动的极端。通过研究局域声子的非谐性计算了与发光中心有关的热输运性能,从一个全新的角度解释了荧光粉材料热致发光效率降低的根本原因。

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图2(a)Sr[LiAl3N4],Sr2Si5N8和SrSiN2中Sr原子的局域结构;(b)Sr[LiAl3N4]:Eu2+,Sr2Si5N8:Eu2+和SrSiN2:Eu2+发光效率随温度的变化及与Eu相关的部分热导率。

  该系列研究发现了决定缺陷体系原子尺度结构的一般规律,揭示了荧光粉材料热致发光蓝移和热致发光效率降低的微观物理机制,为一大类缺陷体系结构的确定提供了普适性的规则,实现了对MOTT理论的跨越,为建立统一的一般性的热相关的发光理论奠定了基础。

  稀土发光材料热致发光蓝移的研究成果以“Microscopic Mechanism of the Heat-Induced Blueshift in Phosphors and a Logarithmic Energy Dependence on the Nearest Dopant–Vacancy Distance”为题,发表于国际高端刊物《Angewandte Chemie International Edition》杂志(Angew. Chem. Int. Ed.2022, 61, e202116404),论文的第一作者为博士研究生徐静,通讯作者为邓水全研究员。稀土发光材料热致发光效率降低的相关研究成果以“High partial thermal conductivity of luminescence sites: a crucial factor for reducing the heat induced lowering of the luminescence efficiency”为题,发表于国际刊物《Journal of Materials Chemistry C》杂志(J. Mater. Chem. C2021, 9,14439),论文的第一作者为罗倪博士,通讯作者为美国北卡罗纳州立大学的Myung-Hwan Whangbo教授和邓水全研究员。

 
 
 

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