利用同步辐射研究硅氧氮化物荧光体的结构设计和性能优化

发光效率高、性能稳定的荧光体是大部分新型照明、显示器件性能提高的关键。本申请研究高稳定硅氧氮化物荧光体结构设计和性能优化的基础科学问题。首先应用组合材料学方法进行合理组分筛选，并通过高温固相反应、硅粉直接氮化等工艺合成相关荧光体；然后在X-射线吸收精细结构（XAFS）实验站，克服硅氧氮化物晶体结构、氧氮比复杂多变、发光中心位置难测的特点，精确测试发光离子的局域结构，以获得基本结构数据进行Rietveld晶体结构解析；同时利用第一性原理模拟计算荧光体的电子结构，研究发光离子的局域结构、电子结构与光学性能间的内在联系，目的是进行新材料设计探索和性能优化。同时在真空紫外光谱实验站，开发硅氧氮化物荧光体的真空紫外光转化性能，探索真空紫外光激发下内部能量传递机理，测试其光衰特性。本项目将为硅氧氮化物荧光体在新型照明、显示器件上的应用奠定理论和材料基础。

本申请主要结合国家同步辐射实验室先进测试仪器，研究高稳定硅氧氮化物荧光体结构设计和性能优化中的基础科学问题，重点在于发光离子的近邻配位环境与电子结构及光学性能的内在联系。研究工作进展顺利，基本完成研究计划，已发表标注SCI论文16篇，多篇正在审稿中,另有一些数据正在整理。共申请发明专利4项，其中3项已获授权。国际会议特邀报告2次，口头报告4次，担任1次国际大会组织委员会委员和分会主席。围绕研究主线，研究内容可分为下面四个部分：（一）实验和理论计算有机结合，研究了系列硅氧氮化物荧光体发光中心的微观配位环境对光学性能的影响。如对常见的Sr2SiO4:Eu2+荧光体，发现在发光离子Eu2+ 周围微量N的定向掺杂可使其具有强的红光发射；在BaMgSiO4:Eu2+ 荧光体的发光中心Eu2+ 周围引入少量氧缺陷，可在能带中引入新能级，产生新的发光；对于Y3Al5O12:Ce3+荧光体，应用新工艺，均匀掺杂直接和Ce相连的N，可以使其发光红移，同时首次发现所获荧光体具有强长余辉性能；在Ba3Si6O12N2:Eu2+荧光体中，发现Ba和Eu的5d能级发生耦合，基质Ba对发光有重要的贡献。以上研究中，发光离子的微观配位结构的测试都在同步辐射的X-射线吸收精细结构工作站完成，对于实验结果分析和理论计算起了关键性的作用。（二）对于荧光体中常见的发光离子间的能量传递，也在新型氮化物荧光体中进行了研究，如AlN:Ce3+,Tb3+, Ca2AlSi3O2N5:Ce3+,Eu2+, La2Si6O3N8:Ce3+,Tb3+等。（三）为了实现对发光中心微观环境的精确调控，我们还开发研究了系列稳定合成工艺。包括：利用金属有机前驱体合成纳米尺度（10-20nm）AlN:Eu2+荧光体、利用HI辅助溶胶-凝胶法制备出二价Eu掺杂的Y3Al5O12荧光体、模板法制备球形氧氮化物荧光体、利用助熔剂进行BaSi3Al3O4N5:Eu2+的形貌调节等。（四）作为项目的扩展，我们研究了与氮化物同族的磷化物材料，通过solution–liquid–solid (SLS)方法，在较低温度下实现了长度可控的Cd3P2纳米线的合成，组装出的光电探测器表现出高稳定和可重复的显著光响应。