Zn、Ge元素替代对Ga2O3：Cr3+近红外长余辉发光的调控和机理研究

Visible light long afterglow luminescent materials are being widely used as self-sustained night-vision materials. However, it is a highligh to study near-infrared long afterglow in recent years. Near-infrared long afterglow luminescent materials can effectively absorb, store sunlight or other light sources converting the light energy into the near-infrared light. It is important for the target tracking and vivo imaging due to not visible and high penetrating of the near-infrared light.In this project, we will synthesis the series of ZnGaGeO:Cr3+ samples basing on Ga2O3:Cr3+ long afterglow materials by Zn2+ and Ge4+ substitute,systematically. We will study the long afterglow properties and characteristics of the samples and explore the basic mechanism of near-infrared long afterglow luminescence and master the basic methods of the adjusting near-infrared light. The X-ray diffraction, high-resolution transmission electron microscopy et al. will be used to analysis the changing of the micro-structure reducing by the element substitute. The thermoluminescence techniques will be used to measure the trap distribution and to gain the depth of the trap energy level. The purpose of this study is to analysis the relationship between the materials microstructure and long afterglow and understand the luminescence mechanism of near-infrared long afterglow materials and get a controlled near-infrared afterglow performance.

可见光长余辉发光材料已经广泛使用，但近红外长余辉发光材料最近几年才引起人们的重视。近红外长余辉发光材料由于其有效吸收、存储太阳光或其它光源的光能转换为近红外光，特别是近红外光的不可见和高穿透性在夜间目标追踪和生物体内成像方面有潜在的应用前景。该项目利用Ga2O3：Cr3+近红外长余辉发光材料为基础，通过Zn2+、Ge4+对Ga元素替代合成ZnGaGeO:Cr3+系列近红外长余辉发光材料，系统研究合成材料的近红外长余辉特性，探索近红外长余辉发光的基本规律，掌握近红外发光的人工调控手段。利用X射线衍射、高分辨电子显微镜等手段研究由于元素替代而导致材料的微结构的变化，利用热释光测量技术分析材料的陷阱分布和陷阱能级的深度，获得材料的微观结构与宏观余辉性能之间的内在联系。该研究的目的是理解近红外长余辉发光材料的发光机理，获得余辉性能可控的近红外长余辉发光材料。

在基金的资助下，系统探索了Ga2O3基质中分别用Zn2+、Ge4+元素替代Ga3+元素引起的Ga2O3:Cr的结构和余辉性能的改变。由于Zn2+、Ga3+、Ge4+离子半径和化合价态不同，在掺杂的过程中在保持晶体结构不变的情况下导致电子结构的不同，从而影响材料物理和化学性能的改变。在研究元素替换过程中，Zn对Ga2O3的替换衍生出ZnGa2O4，Ge、Zn同时对Ga2O3的替换衍生出Zn2GeO4，这两个基质与Ga2O3相比有较小的带隙，更加有利于吸收低能量光辐射形成长余辉。通过不同的元素替代在基质中形成陷阱中心或复合中心，从而实现对材料余辉性能的调控。长余辉发光的一个基本条件就是在基质中存在适当深度的陷阱能级，这些陷阱能级能够捕获光生电子或空穴，从而延迟发光形成长余辉，利用这一特性我们研究了部分材料的光催化性能（光催化是目前解决环境污染方面的一个重要课题），结果显示陷阱能级能有效实现光生电子和空穴的分离，从而增强光催化性能。进一步研究发现长余辉发光、光致发光和光催化之间有一定的内在关联性。长余辉中高浓度陷阱对电子和空穴的分离作用，可能在光催化和太阳能的基础材料研究中得到应用。. 共培养硕士研究生13名（毕业9名，在读4名），发表研究论文26篇,其中SCI收录25篇，申报发明专利4项，已经很好完成了原来的研究计划达到了预定的研究目标。