稀土掺杂氮化镓纳米发光材料的微结构设计和制备

稀土掺杂氮化镓半导体集合了稀土离子的优越光学性质和氮化镓材料的宽带隙及可直接电激发等优点，在白光照明、光存储、光通讯等领域有很好的应用前景。本项目计划采用组态相互作用与HF单置换(CIS)方法和含时密度泛函理论(TDDFT)方法进行稀土掺杂氮化镓纳米发光材料的激发态模拟计算，并结合实验制备与表征，深入研究材料的发光机理，探讨掺杂离子种类和浓度、缺陷、纳米晶粒尺寸等因素对其微观结构和发光性质的影响。以此为依据进行氮化镓纳米材料的微结构设计，制备获得具有特定发光波段、高效发光的稀土掺杂纳米半导体材料。项目着重在稀土半导体光学性质的模拟计算方法上进行创新，解决发光材料激发态模拟计算的难题，获得基态模拟计算所无法获得的激发态电子结构、荧光发射光谱等关键信息，为发光材料的微结构设计与制备提供理论指导。项目计划发表学术论文5-10篇。

本项目基于第一性原理，着重在稀土掺杂氮化镓光学性质的模拟计算方法上进行创新，解决了激发态模拟计算的难题，获得基态模拟计算所无法获得的激发态电子结构、荧光发射光谱等关键信息，并结合纳米晶的制备与表征，深入研究材料的发光机理。研究表明，采用含时密度泛函理论（TDDFT）方法和单组态相互作用（CIS）方法，选择Ga26-xRxN26团簇（R=Zn, Eu, Er）为计算模型，可以成功地获得氮化镓以及过渡金属离子Zn2+和稀土离子Eu3+、Er3+掺杂氮化镓纳米晶的电子结构、电子态密度分布、分子轨道分布、吸收光谱等，并可以在优化激发态构型的基础上，模拟获得其荧光发射光谱等关键信息，深入探讨氮化镓纳米材料的发光机理。为了评价理论计算的结果是否正确可靠，本项目采用固相热分解法、醇热法制备获得了具有六方纤锌矿结构的GaN、Zn:GaN、Eu:GaN、Er:GaN、Tm:GaN纳米晶材料，探索制备温度、压力、浓度、反应时间、洗涤方式等对氮化镓纳米晶的粒径尺寸、均匀性、纯度、形貌的影响，并着重开展了纳米晶光谱性质的分析表征。将理论研究与实验表征结果相结合，发现固相热分解法制备得未掺杂氮化镓纳米晶在可见光区的荧光发射主要是由其表层存在氢化物缺陷VN-H引起的。相比于固相热分解法，采用醇热法时可能由于压力较高的原因，氮空位（VN）缺陷或者氢化物缺陷（VN-H）更易被包裹于纳米晶内部，而引起可见光区的荧光发射。氮化镓纳米晶掺杂后，在其能隙中分别出现了Zn 4s、Eu 4f、Er 4f等电子态，使能隙减小，受激能量阈值降低，从而拥有了可见光发射，这表明Zn和稀土离子掺杂有利于提高氮化镓材料在可见光区的活性。本项目综合探讨了缺陷、稀土离子种类、掺杂量子点位置等因素对纳米材料的微观结构和发光性质的影响，以此为依据可以对氮化镓纳米材料的微结构进行设计，这将为获得具有特定发光波段、高效发光的稀土掺杂纳米半导体材料提供很好的参考与借鉴。本项目已正式发表研究论文12篇，其中SCI收录10篇，另有1篇论文已录用；并获得2项国家发明专利授权。