Mn4+激活红光材料设计、合成及性能的理论计算与实验研究

According to the preponderant natural resources and technological needs in Inner Mongolia Autonomous Region, this research focuses on constructing novel Mn4+ doped red luminescent materials on the basic scientific to solve the issue of the low luminescent efficiency, poor purity color and low intensity of blue absorption. By modulated and optimized strategies, Density functional calculations are performed on Mn4+ doped aluminates and titanates with controlling crystal structures and defect chemistry to understand how material properties of different hosts affect the emission energy of the Mn4+ dopant. This research systematically investigates the influence factors of Mn4+ luminescent performance, such as microstructure of host materials, composition, doping concentration and defect chemistry, and so on. Based on density functional theory, we will prepare and investigate Mn4+ luminescent mechanism with the aim of exploring the underling basic correlations between structural modulation and properties. Moreover, we also focus the co-doped effect and synergistic effect on Mn4+ red light materials. This project will develop a new type of Mn4+ doped aluminates and titanates red luminescent materials and provide theoretical and technical support for the application of LED devices.

本研究针对Mn4+掺杂红色发光材料发光效率低、色纯度差、蓝光吸收性能差等基础科学问题展开。立足内蒙古自治区矿产资源丰富优势，结合自治区重大战略需求和学科发展方向，设计合成系列Mn4+掺杂红色发光材料。运用密度泛函理论计算完成Mn4+掺杂材料铝酸盐和钛酸盐等材料的构筑，通过选择基质材料，表面结构缺陷情况等模拟，实现Mn4+发光性能的调控与优化。借助理论计算系统研究Mn4+在铝酸盐和钛酸盐材料中所处的微观环境与发光性能的相互关系；考察Mn4+发光性能影响因素，例如基质晶体场、组成、掺杂浓度以及表面化学等。在理论计算优化基质材料的基础上，设计合适实验方法合成Mn4+掺杂铝酸盐和钛酸盐等发光材料。同时，考察共掺杂离子及敏化剂等对Mn4+掺杂铝酸盐和钛酸盐等材料发光性能影响。通过本项目的研究获得具有应用前景的Mn4+掺杂发光材料，为该类材料在LED的应用提供一定的理论基础和技术支撑。

本项目聚焦红色发光材料，研制高效Mn4+掺杂发光材料以解决发光效率低，强度低的问题。在这个项目中1）通过多种制备工艺结合制备了一系列Mn4+掺杂的钛酸盐和铝酸盐发光材料。选择不同模板材料策略进行材料形貌的调控制备空心球状和实心球状的Mn4+掺杂钛酸盐发光材料。通过筛择不同离子与Mn4+共掺杂方式调控基质晶体的微观结构，增强了Mn4+掺杂钛酸盐和Mn4+掺杂铝酸盐发光材料的发光性能。荧光性能测试表明Mn4+掺杂的钛酸盐和铝酸盐发光材料在发光性能方面表现出发光强度高，发光谱线窄以及高稳定性的优点。调控金属离子的比例关系制备出具有余辉发光的铝酸镁发光材料，初步开展了缺陷发光研究。本项目进一步拓展了Mn4+掺杂钛酸镁发光材料在指纹识别方面的应用研究，制备出的样品在潜在指纹的可视化中显示出高的灵敏度和高对比度。2）利用密度泛函理论计算，构建和优化了发光材料的晶体结构，研究了晶格畸变程度、应力、晶体场强度、电子云重排情况对Mn4+发光性能的影响。将密度泛函理论计算和实验表征相结合，研究基质材料的微观结构、电子结构与发光性能之间的关系，建立结构与性能构效关系，获得了Mn4+发光及热淬灭机理。3）构建了Ti修饰石墨烯材料并对药物分子进行吸附研究，提出了药物分子在Ti修饰石墨烯材料表面的竞争吸附机理，合成了双功能成像RhB@Gd-MOFs荧光材料以及两个2-二茂铁基咪唑化合物，拓展了荧光材料在药物分子吸附和生物成像及离子识别等领域的应用研究。本项目研究成果已发表SCI 收录论文5篇，申请专利1项，撰写固体发光材料及应用专著1部。本课题组成员参加国内外会议共5人次，其中会议报告和会议论文1人次。本项目培养硕士研究生6人。本项目对发光材料的制备及发光性能改善方面，提供了有价值的数据积累和应用示范。