基于硅酸盐基质稀土掺杂的新型长余辉材料制备、特性及机理研究

由于稀土掺杂的硅酸盐长余辉材料具有良好的特性，使它在许多方面有潜在的应用。本项目拟用高温固相法、溶胶-凝胶等方法合成新型稀土掺杂的硅酸盐长余辉粉体材料和纳米材料。在粉体材料方面，着重筛选出高亮度、余辉时间长的红光或白光材料以及适合非室温条件下的长余辉材料。在纳米材料方面，着重探索控制纳米尺寸的参数和条件以及纳米尺寸与余辉特性的关系。在余辉机理研究方面，拟使用热释光技术，通过研究陷阱深度以及分布，并结合电子自旋共振实验判别陷阱类型与填充状态，利用各种光谱技术研究其光释光特性与动力学过程，以此研究各种晶体结构缺陷在余辉机理中的作用，更深入了解微观结构与电子载流子输运过程，建立有实验支撑的余辉微观理论模型。本课题的研究，不仅能制备出具有应用价值的新型长余辉材料，拓展长余辉材料的应用范围，而且为长余辉材料机理的理论研究奠定基础。

本项目探索了M2MgSi2O7: Eu2+, Re3+（M：Ba，Sr，Ca; Re3+: Dy3+，Nd3+，Ho3+，Er3+,Yb3+）、M1M2MgSi2O8: Eu2+, Re3+(M1=Sr, M2=Ba,Ca; Re3+: Dy3+)、 Sr3MgSi2O8: Eu2+, Re3+（Re：Dy，Er，Ho）和CaWO4：Re3+ ( Eu3+，Tb3+，Pr3+，Sm+3)长余辉材料的制备和发光特性，主要的研究成果有：.1）M2MgSi2O7: Eu2+, Dy3+基质中，对于不同的Sr/Ca、Sr/Ba比例，较小的原子半径导致晶体中较小的晶面间距，而较小的晶面间距则导致发光中心Eu2+离子的5d能态分裂加剧，从而使发光出现红移。在Sr2MgSi2O7: Eu2+, Dy3+样品中掺杂Ca离子或Ba离子，都对余辉有负面影响，即余辉寿命有所缩短，相关的热释光研究表明，掺杂Ca离子或Ba离子会使材料陷阱能级浓度有所下降，减少了捕获和释放的载流子，导致性能下降。.2）环境温度对材料余辉影响分析表明，样品Sr2MgSi2O7: Eu2+, Dy3+在室温下有较好的余辉效果，而样品Ba2MgSi2O7: Eu2+, Dy3+在室温下余辉效果较差；但在相对较高的温度下，其呈现出较强的余辉现象，样品Ba2MgSi2O7: Eu2+, Dy3+适合作为一种高温环境下使用的长余辉材料。.3）制备Sr2MgSi2O7：Eu2+，Dy3+，采用了H3BO3和Li2CO3作为助熔剂以降低材料的烧结温度，对余辉及热释光分析表明，H3BO3有利于加深材料陷阱能级的深度从而延缓了载流子的释放速率，进而延长了材料的余辉寿命；相反，使用Li2CO3作为助熔剂的材料，其陷阱能级就明显变浅，陷阱对载流子的束缚能力则有所下降，从而导致余辉寿命的缩短。.4）Dy3+，Nd3+，Ho3+，Er3+和Yb3+离子共掺杂对材料Sr2MgSi2O7：Eu2+余辉特性影响的分析表明，Dy3+，Nd3+，Ho3+和Er3+离子对材料的余辉有不同程度的增强作用，这是因为这几种离子的二价态基态能级与导带底部比较接近，从而使材料自身缺陷引起的陷阱得到某种程度的加深或加强，而Yb3+离子的掺入，产生了更深的陷阱，陷阱对载流子有较强的束缚以至于后者不易被释放，所以Yb3+离子的掺入对余辉有削弱的影响。