多离子合作跃迁及其团簇结构性破坏荧光猝灭的关键技术和实验方法研究

Cooperation transitions of three or more ions can generate multi-ion cooperative luminescence, multi-ion cooperatively sensitized luminescence, and multiphoton luminescence based on high energy photon multi-fission. They are not only important physical processes but also have important applications in optical frequency conversion and Silicon photovoltaic (pv) power generation. Using multi-ion cooperative transition mechanism, we recently observed ultraviolet fluorescence from 3-Yb3+, Gd3+, Cu2+, Pb2+ ions under NIR excitation and photon multi-fission under UV excitations, and cut a high energy photon into three 980 nm NIR photons. However, when adding other trivalent cations in the materials, we found that the cooperative luminescence, cooperation sensitized luminescence, and multiphoton cutting processes were suppressed or even disappeared. Therefore, we suggested a new concept --- structural destructive fluorescence quenching (SDFQ), which has become a key scientific problem in developing high quantum yield materials. This project intends to study multi-ion cooperation transitions and the fluorescence quenching induced by structural destruction, to reveal their physical essence and objective laws, to realize the basic physical processes and synthesize functional materials, as well as to achieve the following goals: 1, standardize the physical mechanism of the above mentioned processes, to establish theoretical system of SDFQ; 2, clarify the mechanism of obtaining high quantum efficiency based on multi-ion cooperation transitions;3, design practical composite materials with high quantum efficiency; 4, obtaining novel upconversion materials; 5, acquire the key technologies, experimental methods and the rights of related intellectual properties.

三个或三个以上离子的合作跃迁可以产生多离子合作发光、多离子合作敏化发光以及高能光子多重劈裂发光，在光频转换、硅基光伏发电等领域具有重要的应用前景。利用该技术，我们近期实现了多离子合作受能发光，成功地将一个紫外光子劈裂成了3个~980 nm光子。然而，当材料中掺入其它阳离子时，多离子合作跃迁过程会被抑制甚至消失，我们发现的这种团簇结构性破坏荧光猝灭效应严重地制约着多离子合作跃迁的发生，成为了研制高能光子多重劈裂材料的关键科学问题。本项目拟研究多离子合作跃迁及其结构性破坏荧光猝灭等新物理现象，揭示其物理规律，从关键技术和实验方法两个方面展开深入系统的研究，并预期实现如下目标：1、规范上述过程的物理机制，建立和完善结构性破坏荧光猝灭理论模型；2、阐明基于合作受能机制获得高量子效率的机理；3、设计可实用的高量子效率复合材料；4、制备新型上转换材料；5、获得其中的关键技术、实验方法和相关知识产权。

三个或三个以上离子的合作跃迁可以产生多离子合作发光、多离子合作敏化发光以及高能光子多重劈裂发光，在光频转换、硅基光伏发电等领域具有重要的应用前景。然而，当材料中掺入其它阳离子时，多离子合作跃迁过程会被抑制甚至消失，我们发现的这种团簇结构性破坏荧光猝灭效应严重地制约着多离子合作跃迁的发生，成为了研制高能光子多重劈裂材料的关键科学问题。.主要研究内容：.1).基础理论研究.2).基于团簇受能机制的高光子多重劈裂研究.3).抑制团簇结构性破坏荧光猝灭的关键技术研究.4).高量子效率复合材料的设计与制备.5).近红外光量子产率测、硅基太阳能电池伏应用等实验方法研究.6).基于团簇敏化机制的新型上转换材料研究.重要成果关键数据及其科学意义：.1).通过掺杂Y3+离子对Yb3+离子团簇结构性破坏，确定了Yb3+离子团簇合作吸收的激发峰与Yb3+离子团簇之间的关系，为之后合作吸收的进一步研究奠定了基础。.2).成功合成出CaF2:Yb@CaF2:Ce复合材料，在监控980nm发光的情况下，将材料的激发峰的半峰宽从42nm拓展到112nm，激发峰覆盖整个近紫外区和部分远紫外区，为以后这种材料用于提高太阳能电池发光效率的奠定了基础。.3).在CaF2:Yb3+材料中，随着Li+、Na+、K+离子掺杂浓度的增加，Yb3+离子二聚体和Yb3+离子三聚体的发光强度先增强后减弱，而它们的荧光寿命先减小后增加。研究了合作上转换发光的结构性破坏荧光猝灭问题，对因其它离子的掺入而造成的合作发光猝灭给予了合理的解释。.4).首次实现了近红外光激发h-BN宽禁带半导体，并研发出了一种全新的可被近红外光激发的h-BN光电转换器件。.5).首次提出了体材料中纳米效应这一概念，并利用其实现了3-Yb3+合作发光一倍以上的增强。.6).首次实现了Sm2+离子的上转换发光。通过发光动力学分析，我们将Sm2+离子的激发归为以下合作能量传递过程：Yb3+-dimers → Sm2+。.7).首次实现了基于Yb3+-dimer合作跃迁的近红外光光催化。.8).发表学术论文54篇，其中影响因子大于3.0的论文超过16篇，申请关键技术发明专利29件，出版学术专著2部，获得软件著作授权1个。