d组态、激子及电荷迁移态上转换发光材料的制备与机制研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
10974075
项目类别：
面上项目
资助金额：
35.0万
负责人：
王绩伟
依托单位：
辽宁大学
学科分类：
A2207.光谱学与固体发光
结题年份：
2012
批准年份：
2009
项目状态：
已结题
起止时间：
2010-01-01 至2012-12-31

项目参与者：
吴春瑜；吕品；付强；赵以诚；张建龙；张琪；
关键词：
电荷迁移态连续白光及多彩色光激子上转换 d组态

项目摘要

传统的上转换发光学领域主要是在f-f 跃迁机制中，着重研究改进优化低声子基质材料的问题。本项目拟创新性开发研究由d组态、激子及电荷迁移带跃迁而形成的新型上转换发光材料及其非f-f 跃迁型上转换机制。这类选择定则允许的跃迁具有宽谱带、大强度、易调谐等优势，在材料开发上将获得同时具备高转换效率与优良色度的上转换荧光体，以此替代传统的窄带线状f-f跃迁三基色发射，可获得全色温、高显色性的连续上转换白光及多种彩色光。研究方案上，将以价带与导带间的所有能态为整体系统，寻求分立激活离子中心激发态过程与带间激发发射过程的整合与相互作用机制。实验上，激子中介态、带间缺陷态、f组态与d组态及电荷迁移态的能量传递、变价激活离子复合电子-空穴对以及带间激发等非f-f跃迁过程，将综合运用到中间亚稳态选择及对高能组态的泵浦激发布局上。理论上，将澄清以往对非f - f跃迁型上转换的模糊认识，提出新的理论模型。

结项摘要

通常上转换研究主要集中在f-f 跃迁机制中，如何改进优化低声子基质材料方面，发光颜色调配由多组分掺杂来实现。本项目的创新性在于获得由d组态、激子及电荷迁移带等跃迁，形成选择定则允许的非f-f跃迁型上转换发光过程。以高激发功率密度和真空条件为技术路线，观测到了高效率连续上转换白光和多种颜色的宽谱带上转换发射，在功率密度为50 W/cm2的1 W 980 nm近红外激发下，能量转化率可达10 %以上，亮度可达100000 cd/m2，流明效率达到15 lm /W，并且色度可通过真空度、激发功率密度及掺杂浓度来连续调整。确定了光谱中包含电荷迁移带上转换发光，并在国际上首先报道了这一原创性成果。在上转换机制研究方面，通过对光电导测量、阴极射线激发、多光子过程拟合、掺杂浓度对交叉弛豫的影响等实验结果的分析，验证了在真空与高激发功率密度红外激发条件下，稀土离子的基态电子可以通过多光子带隙激发过程由基态到达导带。这种激发发射机制不同于已知的上转换形式，其激发过程始于稀土离子基态，经多光子过程到达导带；电子由导带开始的退激发导致了起源于电荷迁移态、带间能级辐射跃迁、激子复合等发光过程，加上光致黑体辐射形成了由多种发光起源的混合反斯托克斯发射，在光谱上表现为宽带连续强发射。因此发光机理是掺杂离子（激发态过程）与基质（带隙激发）体系的整体协同激发发射过程，分立发光与复合发光两类不同的发光机制，都参与了这种特殊的上转换激发发射过程。此外在真空条件下不仅Er3+离子上转换发光强度可增加3个数量级，而且红外发射也增强了2个数量级，并且发光强度-激发功率的变化关系表现为双光子过程。这表明由4I15/2到4I13/2的泵浦电子布局是通过与4S3/2-4I9/2及4F9/2-4I13/2等交叉驰豫过程实现的。在d组态上转换研究方面，获得一类光谱在700 nm附近不属于稀土离子f-f跃迁的特殊上转换。该上转换发光只出现于低温区，并且表现为双光子过程。这种上转换未见于报道，电子顺磁共振谱表明这种上转换来自于过渡金属离子发光。其发光过程为处于激发态的Yb3+- Yb3+二聚体向过渡金属离子d组态能量传递，而后d组态的跃迁形成了上转换。在项目执行中为了评估光热效应和进行静态及动态光电导的测量，设计制作了配以测温、控温和光电导测量电路的真空装置，并获得了电路模拟设计制作方面的相关成果。