新型镨离子掺杂真空紫外激发材料的高性能量子剪裁发光研究

真空紫外(VUV)激发发光材料在等离子平板显示屏、无汞荧光灯等领域有重要应用价值，在理论上VUV激发光谱可以扩展稀土离子的Dieke能级图。目前VUV激发材料普遍存在基质晶体稳定性不好、VUV区吸收效率低和发光性能较差等缺点，因此筛选适合镨离子掺杂、稳定性良好、弱晶场强度的基质材料，实现镨离子在VUV激发下高性能量子剪裁发光具有重要意义。本项目拟以新型镨离子掺杂VUV激发材料为研究对象，通过晶体结构组成的计算分析和设计调控筛选基质晶体，实现镨离子量子剪裁发光。深入分析镨离子的稳态光谱和相关多重态的荧光动力学性能，总结晶体结构组成、晶格动力学特征和掺杂浓度对镨离子和基质晶体间能量传递的影响规律，研究能量传递、无辐射跃迁、荧光浓度猝灭等对镨离子掺杂VUV激发材料发光性能的影响，确定最佳镨离子掺杂浓度，获得一至两种掺杂镨离子高性能量子剪裁发光的VUV激发材料，为VUV激发材料的研究探索新方向。

真空紫外激发材料稳定性不好和发光效率不高等是发光材料科学研究难题，而这些发光材料在PDP和无汞荧光灯等领域有重要应用价值。因此本项目着重研究了适合镨离子掺杂真空紫外激发高效量子剪裁发光材料。首先，从晶体场强理论分析与计算出发设计适合镨离子掺杂基质材料，获得镨离子可以实现离子剪裁发光的基质，确定研究对象为镨离子掺杂钨酸铅和钨酸铯钪复合钨酸盐量子剪裁发光材料；再合成所设计的镨离子掺杂复合钨酸盐发光材料，利用差热分析和XRD等手段分析所合成发光材料的晶体结构，验证所设计的晶场环境是否符合镨离子实现量子剪裁发光的要求；最后利用全反射谱、荧光发射和激发谱以及荧光动态衰减谱等光谱手段分析镨离子发光性能、镨离子与基质晶体间的能量传递过程以及浓度缺陷等因素对材料发光效率的影响，获得适合真空紫外激发镨离子掺杂高效量子剪裁发光材料。本项目研究结果表明：镨离子掺杂钨酸铅材料在真空紫外激发下可以实现量子剪裁发光，同时通过镨离子与钨酸盐基质间的能量传递过程可以将紫外光子转换成可见光子，从而实现两个光子都是可见光子的量子剪裁发光；进一步研究表明镨离子掺杂钨酸铅材料的发光性能受掺杂浓度、生长气氛和退火条件等因素影响，通过控制这些因素，可以很好的减少钨酸铅量子剪裁发光材料中因为铅缺少形成的与离子团簇和中间态氧离子团簇等有关的缺陷，从而提高镨离子掺杂钨酸铅量子剪裁发光材料中镨在激发态的寿命，从而利于镨离子与基质晶体间的能量传递过程，提高材料的发光效率。对于镨离子掺杂钨酸铯钪复合钨酸盐量子剪裁发光材料，研究发现材料在263nm的光激发下，存在由3P0能级到3H6能级间的跃迁（发射波长616nm）和1D2能级到3H4能级间的跃迁（发射波长605nm）组成的量子剪裁发光，镨离子3P0能级的激发态离子来自基质与掺杂离子间的能量传递过程。研究发现两种镨离子掺杂量子剪裁发光材料的最佳掺杂浓度分别为1.53at.%和0.7at.%。综合实验数据表明：镨离子掺杂钨酸铅和钨酸铯钪复合钨酸盐是两种适合真空紫外激发的高效量子剪裁发光材料，可以潜在应用在PDP、无汞荧光灯等领域。在本项目经费支持下，项目组成员同时开展了镨离子掺杂LED荧光粉材料、蓝宝石光纤传感器和高偏振性绿色微片激光器等方面的研究工作，并取得了较好的研究成果。