基于给体受体间能量传递机制的高效发光材料物理

以白光LED荧光粉、VUV光转换荧光粉为代表的先进发光材料及传统的长余辉材料在照明和显示技术中具有重大应用前景，光谱成分（颜色）缺失，或较低的光转换效率限制了它们的应用。本项目利用能量传递原理设计材料，把给体和受体发光中心同时引入材料体系，深入研究给体和受体间能量传递机制和动力学过程，认识给体、受体和基质间相互作用规律。通过理论和实验研究，实现（1）具有光谱成分均衡的高效的白光LED荧光粉（2）基于多步传能机制的光转换量子效率大于1的量子剪裁型VUV光转换荧光粉（3）基于商用蓝绿长余辉转换的红光发射长余辉荧光粉。并最终为获得具有优良照明和显示质量的、节能的、基于能量传递机制的各种先进发光材料提供材料设计的物理和实验基础。

通过构建或调控能量传递体系，改善了现有商用发光材料的光谱性能，或设计出新型高效发光材料，为研制照明和显示技术所需的先进发光材料奠定了坚实物理基础。通过构建能量传递机制改善了现有LED荧光粉的光谱性能，获得白光显色指数超过80，甚至90（理想=100）。采用三种物理途径，成功将掺铈硅酸钪钙Ca3Sc2Si3O12:Ce3+ （CSS）的高效绿色发光转换成黄色发光，实现CSS转换的高显色性白光LED。1）选择CSS绿色荧光材料为母体，引入氮产生红色发光中心为受体，通过原有绿色中心向红色新中心的能量传递，实现光谱加宽和显色性提高，利用该单一荧光材料和蓝色LED芯片制备出白光LED，显色指数达到86；2）选择CSS绿色荧光材料为母体，掺杂红色中心Mn2+为受体，实现光谱加宽，所得白光LED的显色指数高达91；3）在CSS中，分别引入镥（Lu）取代Ca，Mg取代Sc，增强了晶场强度，有效降低了Ce3+发射能量，发光颜色实现绿黄可调。所制得的白光LED显色指数达到86，流明效率达 86 lm/W。. 调控能量传递实现高效的红外到可见上转换发光。采用核壳结构设计纳米六角相NaYF4:Yb20%,Er2%@ NaYF4，阻断激发能量向纳米颗粒表面的传递，980 nm红外光激发下，上转换绿光增强一个数量级以上；发现 CaSc2O4：Tm3+/Yb3+比通常氧化物基质具有大的红外吸收截面和Yb3+向受体能量传递效率，导致其上转换发光亮度比典型氧化物Y2O3：Tm3+/Yb3+提高3倍。研究表明，CaSc2O4中, Yb3+有较大的吸收率和更有效的 Yb3+ → Tm3+能量传递，因此，CaSc2O4是一种高效上转换发光的氧化物基质。在商用橙色荧光粉Sr3SiO5: Eu2+中，发现引入Tm3+产生电子存储中心，由此发生很强的红外上转换发光。引入Tm3+后，红外上转换发光增强30多倍，存储时间可达1000小时以上，比商用硫化物稳定环保。发表SCI论文43篇；授权中国发明专利11项；2010年获吉林省科技进步一等奖1项。