基于植物生长LED用单一基质近红外、红、蓝多色智能荧光粉研究

The project is focused on studying and designing the single-phased intelligent phosphors with near infrared, red and blue multi-color emissions towards LED for plant growth, achieving the aim to adjust the process of the plant growth. Plants mainly absorb the blue (400-480 nm), red light (600-680 nm) and deep red (680-780 nm) or near infrared (780-1500 nm) for phototropic processes, photosynthesis, and photomorphogenesis, respectively. Under the premise of the first principles calculation, a series of phosphors using the complex alkaline earth oxides as hosts and Eu2+, Ce3 +, Bi3+ ions as blue luminescence centers, Mn2+, Mn4+ and Sm3+, Pr3+, Cr3+, Yb3+ ions as red, deep red or near infrared luminescent centers were designed based on the energy transfer theory. The emission wavelength and intensity of the near infrared, red, and blue emitting could be tuned by adjusting the composition of host by substation to change the micro-environment of luminescent centers, such as crystal field intensity, covalence ligand bonding and energy transfer process. Near infrared, red, blue multicolor-emitting phosphors will be synthesized by the sol-gel and high temperature solid state methods and their thermal stability will be carried out to select the stable and efficient ones to fabricate the LED device. The obtained LED device could be used to adjust the plant growth progress and enhance the product, which will provide a scientific basis for agricultural development.

本项目旨在研究设计植物生长LED用单一基质近红外、红、蓝多色发射智能荧光粉，达到调控植物生长过程的目的。植物生长过程中蓝光（400-480nm）和红光（600-680nm）用于光合作用，深红光（680-780nm）或近红外（780-1500）主要调节植物的形态发育过程。该项目以第一性原理计算为前提，设计出以能量传递为基础，碱土复合氧化物为基质，Eu2+，Ce3+，Bi3+等为蓝色发光中心、Mn2+，Mn4+，Sm3+，Pr3+，Cr3+，Yb3+等为红光、深红光或近红外发光中心。通过调整基质组成改变发光中心晶体场强度、配位体共价键结合和能量传递过程来实现对近红外、红、蓝发射波长和强度的有效调控。采用溶胶-凝胶和高温固相法合成目标荧光粉，并对其稳定性进行研究，筛选出稳定高效、利于植物生长的近红外、红、蓝多色LED用荧光粉。进而制作出LED器件，实现对植物生长的调控，为农业发展提供科学依据。

本项目旨在研究设计植物生长LED用单一基质近红外、红、蓝多色发射智能荧光粉，达到调控植物生长过程的目的。植物生长过程中蓝光（400-480nm）和红光（600-680nm）用于光合作用，深红光（680-780nm）或近红外（780-1500nm）主要调节植物的形态发育过程。该项目以第一性原理计算为前提，设计出以能量传递为基础，碱土复合氧化物为基质，Eu2+为蓝色发光中心、Mn2+，Mn4+，Pr3+，Yb3+等为红光、深红光或近红外发光中心。通过调整基质组成改变发光中心晶体场强度和能量传递过程来实现对近红外、红、蓝发射波长和强度的有效调控。采用溶胶-凝胶和高温固相法合成目标荧光粉，并对其稳定性进行研究，筛选出稳定高效、利于植物生长的近红外、红、蓝多色LED用荧光粉，为农业发展提供科学依据。 .通过能量传递过程的调控成功获得Ba4Gd3Na3(PO4)6F2:Eu2+,Pr3+红、蓝、近红外三色发射和Gd2ZnTiO6:Mn4+,Yb3+深红、近红外双光发射的LED植物生长灯用荧光粉。特别是Eu2+、Mn2+共掺Ba3CaK(PO4)3的LED植物生长灯用荧光粉，其发射光谱不仅实现了与植物叶绿素a、b的吸收光谱的高度匹配，还兼顾了室内操作人员的人眼舒适度的需求。. 通过阳离子替换手段有效地调控了Mn4+在A2GdNbO6（A=Ca,Sr,Ba）体系中的零声子线发射强度及位置，实现了660nm与680nm的尖峰发射，其可以诱导植物的双光增益现象从而极大地促进植物的光合作用速率。并通过第一性原理计算，获得了不同阳离子取代后Mn4+所处的MnO6八面体结构的晶体场环境，精确地揭示了零声子线强弱与MnO6八面体的对称性对应关系，为光谱调控提供了新思路。. 在Eu2+单掺的Na2BaSr(PO4)2材料中，实现了428nm的宽谱高亮蓝紫光发射，与植物叶绿素a、b在蓝光区域的吸收（430nm）高度匹配。相比于现今用于植物生长的窄带蓝光LED芯片（450nm），其宽谱蓝紫光发射与植物生长所需光谱更加匹配。同时，通过Eu2+非等价取代Na引入了有效的缺陷能级，实现了缺陷能级向Eu2+离子的能量传递，补偿了因为LED芯片温度升高引起的Eu2+发光的热猝灭，实现了LED工作温度下的零温度猝灭，为此类材料热稳定性的改良提供了新思路。