纳米晶体中稀土离子的发光性质及其变化机理研究

稀土掺杂纳米材料因具有迥异于常规体材料的发光特性以及在发光、高清显示、生物荧光标记等方面的广阔应用前景，近年来日益受到重视，而发光性质与微观结构参量间定量关系的建立将为其实现高效发光、性能"剪裁"等提供更大帮助。本项目拟通过改变稀土离子与纳米基质的成键作用，系统研究颗粒尺寸、晶场环境与稀土离子能级位置之间的相关性，揭示化学键的微观性质对纳米晶体中稀土离子发光行为的影响规律及其变化机理；结合光谱数据和化学键介电理论，建立纳米晶体结构微观参量（键长、键性、键体积极化率等）与稀土离子5d能级及电荷迁移能之间的定量关系，预测光谱能级位置和变化趋势，进一步阐明纳米晶体中稀土离子发光现象的实质，为获得纳米晶体中影响稀土离子发光行为的一般规律奠定理论和实验基础。本项目的研究不仅可为稀土纳米材料发光特性的探索提供新的思路和方法，也可为实际应用背景下的新型稀土纳米发光材料的设计提供重要参考。

近年来，纳米晶体中稀土离子发光性质的研究越来越受到人们的广泛关注，这是因为纳米稀土发光材料在发光、高清显示、光电子纳米器件、生物荧光标记、激光和闪烁体等众多领域有着重要的应用前景。长期以来人们试图通过大量实验现象弄清楚纳米尺寸对稀土离子发光性质的影响规律，但目前掌握的只是一些由表面现象得到的定性规律，还没有真正建立起宏观性质与微观结构参量之间的定量联系。由于宏观性质与微观参量间的定量关系是材料设计和应用开发的基础，因此，纳米晶体中稀土离子的发光性质与基质结构内部微观参量的相关性是目前亟待解决的学术前沿课题，这也正是本项目的主要研究内容。. 本项目采用软化学合成方法如水热法、溶胶-凝胶法等，通过合成工艺的调控，设计并合成出一系列不同颗粒尺寸、分散均匀、形貌可控的稀土离子掺杂氧化物(氟化物)微/纳米晶体, 通过改变稀土离子与微/纳米基质的成键作用，系统研究颗粒尺寸、晶场环境与稀土离子能级位置之间的相关性，揭示化学键的微观性质对微/纳米晶体中稀土离子发光行为的影响规律及其变化机理。另外，在获得一系列不同基质材料，不同颗粒尺寸的稀土离子掺杂微/纳米晶体后，利用激发、发射、漫反射以及高分辨激光光谱等光谱分析手段对其发光性质进行研究，观察发光现象随着颗粒尺寸和成键情况不同的变化情况，考察影响发光行为的因素(键长、键性、配位数等)，总结分类，弄清影响发光行为的本质原因。同时，结合光谱实验数据，利用密度泛函理论和复杂晶体化学键介电理论方法进行理论计算，成功解释了光谱移动规律和不同稀土离子间能量传递机理。从理论上系统深入地研究了源于稀土离子4f-5d发光跃迁和电荷迁移能与其所处晶格环境的依赖关系，为相关稀土光谱研究奠定了理论和实验基础。本项目的研究不仅可为稀土微/纳米材料发光特性的探索提供新的思路和方法，也可为实际应用背景下的新型稀土微/纳米发光材料的设计提供重要参考。