A2B2O7型异质同构体中Er离子上转换发光的调控机理及其数学表征

A2B2O7 (A=Y, Gd, La; B=Ce, Zr, Ti) isomorphisms are good candidates for luminescence materials. Our previous work shows that the upconversion emissions can not be observed in the low phonon energy Ln2Zr2O7 materials comparing with other hosts in A2B2O7 series. On the other hand, we think a new process and mechnism for green upconversion emission of Er3+ ion should be recognized. So in this program these assumptions will be confirmed and investigated deeply by means of experimental design and instrumental detection, and then rate equation model will be created by considering the role of rare earth concentrations,phonon energy and structure of material on the tunability of green and red upconversion emissions. Therefore, the tunability can be depicted with the mathematical expression in theory and the relationship between the upconversion emissions intensities of Er3+ ion and rare earth concentrations, as well as structure of material, can be characterized quantitatively or semiquantitatively. The research on this program makes the benefit to the deep investigation and expansion of the mechanism of upconversioin of Er3+ ion. Furthermore, the upconversion emission intensities and its affect factor will be explored deeply, which make the selection and preparation of other high efficient upconversion materials easier in theory.

A2B2O7（A=Y，Gd，La；B=Ce，Zr，Ti）型异质同构体是一种良好的发光基质材料.然而前期研究发现，相比于其他基质,在该体系中低声子能量的Ln2Zr2O7中却观察不到上转换发光现象，同时,申请者认为Er3+离子的上转换绿光发射应该存在新的上转换发光过程和机理.本项目拟通过设计实验方案和测试手段,对Er离子在该体系中的发光过程和机理进行明确的阐述和深入研究,在此基础上考虑基质材料组成离子种类、声子能量和稀土离子浓度等对Er3+离子上转换发光的调控机理并建立速率方程模型,并通过数学表达式把这种调控作用联系起来从而实现对Er3+离子的上转换发光强度与材料结构和稀土离子浓度之间关系进行定量或半定量表征.本项目研究有助于对Er3+离子的上转换发光机制进行深入研究和扩展,深入探索上转换发光强度与其影响因素的变化规律,为更多高效上转换发光材料的选择和制备提供一定的理论依据.

上转换发光材料在生物成像、温度传递和太阳能电池等领域有着很好的应用前景。但是对于材料的上转换发光性能的评价缺乏一个有效的评价指标。本项目以Yb3+和Er3+掺杂的A2B2O7(A=Y, Gd, La; B=Ce, Zr, Ti)为研究对象，对Er3+离子在基质中的上转换发光过程和机理进行了明确的阐述和深入研究，探讨了组成离子种类和稀土离子浓度对上转换发光的调控机理，并由此建立了涉及能量传递和交叉驰豫过程的速率方程，通过求解速率方程，建立了描述上转换发光强度、能量传递和交叉驰豫过程系数的数学关系式，实现对Er3+离子上转换发光性能的定量评价。重要结果如下。1，A2B2O7体系随着组成离子的不同，结构会发生变化，并不是完全的异质同构体，特别是采用第一性原理计算和结构模拟的方法确认了实验所合成的La2Ti2O7属于斜方晶系结构，并不是文献报道的单斜晶系结构。2.Yb3+离子浓度对上转换发光颜色具有显著的调控作用，其调控机理主要是由于随着Yb3+离子掺杂浓度的增加，Yb3+和Er3+离子之间的能量传递和交叉驰豫作用导致上转换绿光和红光发光强度发生变化所致。能量传递和交叉驰豫过程也是Yb3+和Er3+双掺体系中上转换发光的主要机理。3. 根据确定的上转换发光过程和机理，建立了涉及能量传递和交叉驰豫过程的速率方程模型，采用近似方法求解了该速率方程。结合实验数据，推导了上转换发光强度随Yb3+离子掺杂浓度变化的数学关系式，并首次建立了计算上转换荧光粉中的能量传递和交叉驰豫过程系数的表达式并进行了精确计算，从而实现对上转换发光性能进行定量的评价。4. A2B2O7体系是一种具有潜在应用于温度传感领域的良好的基质材料。项目研究成果为上转换发光材料的研究做了进一步的扩展和深入，也为定量评价材料的上转换发光性能提供一定的理论指导。