新型钨青铜铁电体局域微结构关联的上转换发光及其电场调控机理研究

Tungsten bronze (TB) materials with ferroelectric and up-conversion luminescence (FE-UCL) features are an important class of functional oxides which display rich physical properties and potential widespread applications. Local microstructure modulation is an effective method to control the performance of up-conversion luminescence, which has attracted considerable interests of researchers in recent years. In contrast to previous two types of FE-UCL materials, TB-based materials possess fancy lattice structure, and the local microstructures of the materials can be deliberately designed and controlled. To improve the properties of up-conversion emission, we will plan to disclose the influence of local microstructure distortion on the up-conversion luminescence and perform the up-conversion spectral design and regulation. We would like to comprehend the physical mechanism of up-conversion luminescence by kinetic theory and steady-state rate equations. Furthermore, it is believed that three physical effects, such as polarization inversion, lattice strain and macroscopic structure change, will appear in the TB host materials under the influence of external electric field. These three physical effects can lead to the local microstructure distortion around rare earth ions. We will mainly focus on elaborating the mutative up-conversion luminescence processes relating the above physical effects. The target is to reveal novel physical properties and deeply understand the correlation effect between the local microstructure and the up-conversion luminescence processes, which will provide more choices and basis for the design and development of new electro-optic materials. In addition, we will also explore and reveal the new approaches to characterize the microscopic and macroscopic structures and properties of TB-based materials from the aspect of up-conversion luminescence. The proposal is an interdisciplinary research issue with important research value and application potential.

钨青铜(TB)基铁电上转换材料(FE-UCL)是一类重要的功能氧化物，具有丰富物理特性与广泛应用前景。局域微结构是调控上转换发光(UCL)的一种有效手段，近年来被广泛关注。与以往两类FE-UCL不同，TB基材料内涵特征晶格结构，局域微结构方便可控，本项目将研究不同局域微结构所对应的RE离子跃迁特性与辐射参数变化行为，设计与增强UCL，通过上转换动力学与稳态速率方程分析，深入理解UCL机理。进一步，对不同极化态TB系统，电场会诱导极化翻转、晶格应变与宏观结构改变三种相关物理效应，这会导致局域微结构改变，本项目将侧重探索与以上物理效应关联的UCL动力学过程，阐明动态发光过程机理，理解电-光耦合的内部物理规律，为未来新型电-光材料的设计与开发提供更多选择和依据。另外，我们还将探索并揭示从UCL角度逆向表征TB材料微观与宏观结构、性能及相应演化规律的光学新途径。本项目有重要基础与应用研究价值。

钨青铜基铁电材料是一类重要的功能氧化物，具有丰富物理特性与广泛应用前景。针对现代元器件产业迅猛发展对先进光电材料的技术需求，在传统铁电体（FE）中扩展新的功能属性并探索潜在的耦合效应是未来学科交叉发展的重要方面。基于此，本项目开展了如下研究：（1）与以往广泛研究的陶瓷体系不同，通过熔盐法制备了系列稀土离子（RE）激活的微纳米材料，从材料光学属性与其形貌、尺寸、维度等因素的关系入手，深入研究了上转换发光（UCL）性能、揭示了饱和效应与尺寸效应，并通过J-O理论进行了分析解释，对这些新奇物性的探索和研究拓宽和加深了对该系统UCL规律的认识和理解。（2）外场是调节局域微结构的重要方法，将特定RE融入FE基质中，通过引入电场等外场刺激，改变RE局域环境，对材料微观结构、UCL、下转移发光、反射光谱、热释光等性能进行了探究，重点揭示了光、电、热性能的内禀耦合对UCL及动力学行为的影响规律，为FE发光性能调控提供了新的思路，发展了多种具有显著UCL的新体系，该类材料在光-电集成、光学开关等领域具有重要应用潜力。（3）利用材料特征晶格结构，设计RE占据不同局域微结构环境，从不同微观环境下RE跃迁特性与辐射参数变化入手，系统表征光电性能，获得了增强UCL与电极化性能的有效途径。进一步，利用RE在不同FE中的UCL性能，通过UCL光谱实现了对环境温度的逆向表征，开发了系列荧光温度传感材料。通过对FE组分、工艺的设计和优化，包括调控热耦合能级的间隔、纳米材料的形貌尺寸、基质的声子能量和局域微结构、以及掺杂离子浓度等，为FE基荧光测温材料的性能优化提供了新思路。另外，还研究了FE基荧光纳米材料可控光热性能，该类近红外响应的纳米材料在生物医学、有机与软物质加工领域具有潜在应用。（4）作为扩展，通过传统液相煅烧合成了一种可规模化生产的铅基卤化物钙钛矿-金属有机框架玻璃复合材料，使钙钛矿相更加稳定，并大幅增强了材料的发光性能，同时防止了铅泄露，大幅提升了材料的实际应用价值。