ABSiO4基荧光粉的晶体结构调变机制和发光性能调控研究

There will be important scientific significances on the modification of the optical properties based on the study of the host lattice property of the luminescence materials and the occupation environment of the rare earth ions. The ABSiO4-based orthosilicates phosphors will be regarded as the main research objects and models, and the research strategy involved in the “chemical compositions – crystal structure – Eu2+/Ce3+ doped luminescence properties” has been proposed. This project will focus on the design and screening of the new single-phased and/or iso-structural solid-solutions orthosilicates phosphors, study the relationship of the chemical compositions and stable crystalline phases, and then the crystal structure modulation mechanism originated from the chemical compositions, synthesis temperature/atmosphere/time and the doped ions will be determined. Eu2+/Ce3+ doped ABSiO4-based orthosilicates phosphors will be prepared, the effect of structural evolution for the as-prepared phosphors on the luminescence properties will be discussed based on the probe effect of the doped rare earth ions and the difference of the luminescence properties. Moreover, the advanced analysis techniques for the solid state structure will be also used to study the sites’ occupation environment of the rare earth ions. Different silicon sources, preparation method and surface modification strategy will be developed in this project in order to control the chemical compositions, crystal structure and morphology, and then the emission intensities, thermal stability and quantum efficiency can be enhanced. Accordingly, this project can produce novel phosphor materials with excellent properties to fulfill the application requirement of the white light emitting diodes (WLEDs) devices, and the scientific foundation on the “Chemical compositions – Crystal structure” relationship and the “Occupation mechanism – Structure/Property correlation” for the rare earth-doped luminescence materials will be established.

研究稀土发光材料的晶格特性和激活离子占位环境，对发光性能调控具有重要的科学意义。本项目以ABSiO4基正硅酸盐荧光粉为研究对象，围绕“化学组成-晶体结构-Eu2+/Ce3+掺杂发光性能”的构效关系，拟设计和筛选正硅酸盐基新相和同构固溶体物相，研究其化学组成与稳定晶相结构的关系，明晰物相组成、合成温度/气氛/时间、掺杂离子等对晶体结构调变机制的影响。合成Eu2+/Ce3+掺杂ABSiO4基荧光粉，利用稀土离子的结构探针效应和发光性能差异，探讨ABSiO4基荧光粉中结构演变效应及其对发光性能的影响，并结合先进固体结构分析技术确定激活离子占位环境。进一步探索不同硅源、合成新方法和表面后处理技术以实现基质组成、结构、形貌的调控和荧光粉发光强度、热稳定性及效率的提高，开发出满足白光LED器件要求的高效稀土发光材料，同时为稀土发光材料的化学组成与结构调控、离子占位机理与结构-性能关系研究奠定科学基础。

以(Sr,Ba)2SiO4:Eu2+为代表的ABSiO4基正硅酸盐荧光粉展现出优异的发光性能与化学组成、结构的可调变性，可作为满足白光LED器件使用需求的优良备选荧光粉。本项目以ABSiO4基正硅酸盐荧光粉为研究对象，以“化学组成-晶体结构-Eu2+/Ce3+掺杂发光性能”的构效关系为研究主线，开展设计和筛选正硅酸盐基新相和同构固溶体物相的研究。在项目研究中，我们通过不同合成方法，得到了系列Eu2+/Ce3+掺杂ABSiO4基荧光粉，探讨ABSiO4基荧光粉中结构演变效应及其对发光性能的影响，开发出满足白光LED器件要求的新型稀土发光材料，同时为稀土发光材料的化学组成与结构调控、离子占位机理与结构-性能关系研究奠定了科学基础。本项目所完成的代表性工作汇总如下：（1）围绕ABSiO4基正硅酸盐，利用组分设计和离子共掺杂，获得了一系列满足白光LED器件应用的高效稀土发光材料，例如Ca2−xSrxSiO4:Ce3+、KxCs1-xAlSi2O6:Eu2+和Ba4Si6O16:Ce3+,Eu2+等；（2）开展了ABSiO4:Eu2+/Ce3+荧光粉的晶体学占位与结构-发光性能关系研究，建立了组成-结构-发光性能的构效关系研究策略。（3）开展了硅酸盐体系的稀土发光材料的制备方法研究，提出了通过控制前驱体物相，进而实现了硅酸盐基发光材料颗粒形貌的控制合成。（4）以ABSiO4基正硅酸盐扩展了矿物结构模型筛选和结构单元共取代的结构设计理念，开发了系列新型稀土发光材料，如β-K2SO4型高热稳定性磷酸盐K2BaCa(PO4)2:Eu2+、UCr4C4型窄带蓝色荧光粉RbNa3(Li3SiO4)4:Eu2+等。依托本项目，系列研究工作分别在J.Am.Chem.Soc.、Adv.Mater.和Angew.Chem.Int.Ed.等期刊发表，本项目所提出的围绕ABSiO4基正硅酸盐荧光粉开展“化学组成-晶体结构-Eu2+/Ce3+掺杂发光性能”的构效关系研究，采用这一策略探索新型稀土发光材料具有重要的指导意义。截止到2019年12月底，本项目的相关研究内容共发表基金资助相关论文61篇，全部被SCI收录；申报国家发明专利7项。培养研究生11名，其中博士研究生4名。本项目圆满完成了任务书中所预定完成的研究成果。