基质—稀土离子能量传递理论及第一性原理计算

The applications of lanthanide luminescent materials cover the disciplines of information technology, materials for renewable energy, biomedical science and detection of cosmic radiations. The sensitization of emission due to transitions between two states of (4f)^N electron configuration and the manipulation of the optical properties related to (4f)^(N-1)5d-(4f)^N transitions are key strategies in realizing various functions of lanthanide luminescent materials. Lanthanide doped wide-bandgap semiconductors and inorganic insulator scintillators are two important types of materials under intensive research, for their applications in energy-saving lighting, information manupilation and transmission, and biomedical imaging. The common factor crucial for both types of luminescent materials is the efficiency of energy transfer from the host to luminescent centers. The objectives are: 1) to derive a general microscopic energy transfer theory by including all the key contributions, such as the energy transfer processes via ligand-metal charge transfer states and trapped hole states as actually intermediate steps, and direct energy transfer process with these states as virtual intermediate states; 2) to develop the method and computer codes to calculate the energy transfer rates using the output of ab initio calculations; 3) to apply the theory developed and to perform the calculations on test systems and potential lanthanide luminescent materials.

稀土发光材料的应用涉及信息、能源、生物医学和高能粒子探测等方方面面。基质对稀土离子(4f)^N组态内跃迁的敏化和(4f)^(N-1)5d-(4f)^N组态间跃迁性能的调控，是实现掺稀土发光材料各种功能的关键手段。宽禁带半导体掺稀土离子发光材料和绝缘体掺稀土离子闪烁体作为节能环保照明、光信息处理和生物医学影像材料是重要研究对象，决定其性能的共同关键是实现能量从基质到发光中心的有效传递。拟：1）考虑各种关键因素，如：以稀土离子电荷迁移态和空穴束缚态作为中转状态的能量传递过程和这些能量状态作为虚中间态的直接传递过程等，给出从基质的离域性激发态向稀土离子发光中心多电子耦合局域化能态的能量传递的具有一定普适性的微观理论； 2）实现和第一性原理相结合的计算方法和软件代码； 3）把理论结果和计算方法用于基于基质进行性能调节的稀土体系的性能分析与预言，为节能材料、探测材料和新能源材料的探索提供理论支持。

稀土发光材料的应用涉及信息、能源、生物医学和高能粒子探测等方方面面。基质对稀土离子(4f)^N 组态内跃迁的敏化和(4f)^(N-1)5d-(4f)^N 组态间跃迁性能的调控，是实现掺稀土发光材料各种功能的关键手段。宽禁带半导体掺稀土离子发光材料和绝缘体掺稀土离子闪烁体作为节能环保照明、光信息处理和生物医学影像材料是重要研究对象。 除了材料的化学与热稳定性之外，高性能发光材料中，材料被有效激发、能量有效地传递给发光中心及发光中心的高效发光非常重要。. 本项目的研究工作为：1）考虑各种关键因素，研究能量从包括稀土离子电荷迁移态、空穴束缚态等材料的激发态通过各种中间过程或状态传递给稀土离子发光中心的包括多电子耦合能量传递的微观规律； 2）研究和第一性原理相结合的计算方法并开展第一性原理计算； 3）把理论结果和计算方法用于基于基质进行性能调节的稀土体系的性能分析与预言，为各种稀土发光材料在节能、探测和新能源等领域的应用研究提供理论支持。. 本项目取得的重要结果及科学意义如下：建立了唯像模型和第一性原理计算相结合的计算分析方法；系统分析了微晶玻璃和局域场效应对发光动力学的影响；对文献中报道的反常现象进行了重新分析解释和修正；对一系列用于量子信息、光谱转换和温度传感的掺稀土离子光功能材的动力学过程（激发、能量传递、非辐射弛豫及发光）给出了系统的分析。其科学意义在于： 1）加深了对稀土光功能材料中动力学过程的理解； 2）为稀土发光材料的性能分析和结构设计提供了进一步的理论和计算一般分析方法； 3）研究过程中提出了一种稀土离子光选择方案；4）得到了多种具有潜在应用价值的高灵敏度的温度探测材料；5）对激光加热效应的分析表征已经得到被一些同行采用（已被SCI他引60次）。