Pr3+掺杂稀土正硅酸盐基深紫外长余辉发光材料的设计制备、性能及发光机理研究

Ultraviolet (UV) persistent phosphors have promising applications in photocatalysis, microbial inactivation, invisible UV imaging, and biomedical research. However, in contrast to significant progress in the research of persistent luminescence materials emitting in the visible, near infrared (NIR) and short-wave infrared (SWIR) spectral regions, the development and application of deep UV persistent phosphors with emission wavelength shorter than 320 nm has been lacking and the research progress has been slow, owing to the limit of suitable host materials and emitters. To solve this problem, we propose the design and synthesis of Re2SiO5:Pr3+ (Re=Lu, Y) deep UV persistent luminescence materials through microstructure control and composition optimization by delicately selecting Pr3+ as emitting centers and rare earth oxyorthosilicate as the host materials. The microstructures, optical properties and trap properties will be systematically studied, the influence rule of microstructure changes upon the type, depth and distribution of trap levels will be obtained, and the relationship between the trap levels and persistent luminescence properties will be proved up. Moreover, the energy storage of excitation light, energy transfer and persistent luminescence emission will be analyzed definitely. And finally, the corresponding theoretical models will be constructed to reveal the underlying mechanisms of deep UV persistent luminescence. This project will provide a theoretical basis for the construction of novel deep UV persistent phosphors, and it is also significant for the practical application of deep UV persistent luminescence materials.

紫外长余辉发光材料在光催化、消毒杀菌、紫外成像以及生物医学等领域具有广泛应用前景。但相比于可见光、近红外和短波红外长余辉发光材料研究所取得的系列进展，余辉发射波长小于320nm的深紫外长余辉发光材料，由于受到基质材料和发光中心的限制，目前的研究和应用相对较少，进展也相对缓慢。针对该问题，本项目提出选用Pr3+作为发光中心，以稀土正硅酸盐作为基质材料，通过微结构调控和成分优化，设计和制备新型Re2SiO5:Pr3+（Re=Lu, Y）深紫外长余辉发光材料。系统研究材料的微观结构、光学性能和缺陷性能，获得材料微结构的变化对陷阱能级类型、深度与分布的影响规律，探明材料的陷阱能级与长余辉发光性能的关系。深入分析激发光能量存储、传递和发射的物理过程，建立相应的发光模型，揭示深紫外长余辉发光机理。预期成果可为新型深紫外长余辉发光材料的设计提供理论依据，对深紫外长余辉发光材料的实际应用也有重要意义。

紫外长余辉发光材料在光催化、消毒杀菌、紫外成像以及生物医学等领域具有广泛应用前景。但相比于可见光、近红外和短波红外长余辉发光材料研究所取得的系列进展，余辉发射波长小于320 nm的深紫外长余辉发光材料，由于受到基质材料和发光中心的限制，目前的研究和应用相对较少，进展也相对缓慢。本项目聚焦紫外长余辉发光材料的设计合成与性能研究，取得如下创新成果：(1) 设计开发了多种Pr3+激活的C区紫外和B区紫外长余辉发光材料，包括Lu2SiO5:Pr3+、LiLuSiO4:Pr3+和Lu3Al3Ga2O12:Pr3+等，将余辉发射波段拓展至深紫外光区，深入研究了激发光能量存储、传递和发射的物理过程，并揭示了深紫外长余辉发光机理；(2) 设计合成了多种Bi3+激活紫外长余辉发光材料，包括LiScGeO4:Bi3+、Y3Ga5O12:Bi3+和Sr3Sc2Ge3O12:Bi3+等，其中太阳光可以对Y3Ga5O12:Bi3+和Sr3Sc2Ge3O12:Bi3+实现直接充能，系统研究了材料的微观结构、紫外长余辉发光性能和缺陷性能；(3) 分别利用能量传递策略和高能射线直接激发实现了Gd3+的窄带B区紫外长余辉发光，研究了室内照明光对紫外长余辉发光的影响规律，探索了这类材料在室内光学定位与追踪等领域的应用；(4) 合成了Pr3+单掺和Pr3+-Gd3+共掺的LiYSiO4:Pr3+和Li(Y,Gd)SiO4:Pr3+深紫外上转换发光材料，分别使用LiYSiO4:Pr3+作为光频转换层和商用蓝光LED作为激发源，构筑了新型荧光转换型UVC光源，并展示了该便携式UVC光源在室外光学定位与追踪领域的应用。除了计划的科研内容，申请人还开展了稀土离子掺杂铋基微/纳米发光材料的可控合成与性能研究，首次报道了低温、水相、超快合成铋基氟化物微/纳米发光材料的新方法，探索了它们在生物医学、光学防伪和X射线探测与成像等领域的应用；申请人在新型短波红外发光材料的开发及LED应用研究领域也做了一些创新性工作，引起了国内外学者的广泛关注。在本项目的资助下，在Light: Science & Applications等学术期刊上发表SCI论文22篇，在《发光学报》发表研究论文1篇，授权发明专利7项，在国内外会议做邀请报告6次。项目组较好地完成了预定的研究任务和研究目标。