氧化铟新型透明半导体陶瓷的可控制备与稀土掺杂发光增强机理的研究

Transparent ceramics and luminescent materials both have important optical applications and huge market potential. Based on the development of high-performance transparent ceramics and luminescent materials, the key processing technology and optical properties of new-type transparent semiconductive In2O3 ceramics and rare-earth doped In2O3 phosphors have been investigated in details. Readily sinterable In2O3 powders can be yielded by wet-chemical precipitation route and thermal decomposition. The relation between microstructural changes of sintered bodies and diffusion behaviors of In+ and In3+ ions will be studied. Highly transparent semiconductive In2O3 ceramics would be produced via optimal oxygen sintering. Rare-earth doped In2O3 phosphors will be synthesized by a high-temperature solid-phase reaction and the energy transfer mechanism from the host to the activator will be revealed. The results of this project have important academic innovation and potential application value on development of highly transparent semiconductive In2O3 ceramics and high-efficiency luminescent materials.

透明陶瓷材料和发光材料都具有重要的光学应用价值和巨大的市场潜力。针对开发高性能透明陶瓷材料和发光材料所涉及的关键科学问题，本项目拟开展新型氧化铟透明半导体陶瓷的制备工艺和稀土掺杂氧化铟发光材料的光学性能研究。利用In3+离子的高水解性，通过水解均相沉淀法和热分解过程合成出高烧结活性的氧化铟粉体；研究氧化铟陶瓷烧结过程中一价铟离子对氧化铟多晶坯体烧结行为的影响，探索烧结体显微结构的变化规律；通过无压-氧气气氛低温烧结技术制备出具有高光学质量的氧化铟透明半导体陶瓷；通过固相反应法合成稀土掺杂氧化铟发光材料，揭示半导体基质材料与激活离子之间的能量传递机理。本项目的研究结果对于探索和开发氧化铟高透明半导体陶瓷材料及高效发光材料具有学术创新意义和潜在的应用价值。

氧化铟是一种n型宽带隙半导体材料，广泛应用于光电领域。氧化铟具有熔点高、受热易分解和挥发的特性，因此很难通过传统的熔体生长方式得到氧化铟单晶，国内外报道的氧化铟单晶通常采用气相法制备而成，但是该方法很难获得大尺寸的单晶材料。透明陶瓷与单晶相比具有成本低、周期短、可大尺寸制备、可近净成型等优点，是替代单晶的理想材料。然而在项目执行前期未见氧化铟透明陶瓷的相关报道。本项目针对制备氧化铟新型透明半导体陶瓷及其稀土掺杂的氧化铟发光材料所涉及的关键科学问题，首次成功开发出氧化铟透明半导体陶瓷，实现了无压烧结氧化铟陶瓷的透明化（在可见光633nm波长的透过率达到了60%，约是单晶理论透过率的79%）。明确了粉料中硬团聚体对陶瓷显微结构中微观缺陷的影响并揭示了二氧化硅添加剂对陶瓷烧结和半导体霍尔效应的影响。通过稀土离子掺杂技术，对比研究了正交和六方晶系GdInO3:Eu两种钙钛矿材料的光致发光行为，揭示了Gd3+→Eu3+离子之间的能量传递作用与晶体结构之间的关系。在此基础上，课题组还通过构建粉体形貌与氧化铟气敏性之间的关系获得了灵敏度较高的氧化铟气敏元件。