新型掺杂铁电纳米材料的光电多功能化及耦合新效应研究

Among functional materials, inorganic ferroelectrics with uniquely electrical, mechanical, thermal and optical characteristics are of great importance and have wide range of applications. Over the past decades, developments of the advanced ferroelectrics have resulted in a great deal of information about the instinct ferroelectric and piezoelectric modifications on the ferroelectrics through lanthanide and transition metal ions doping. Importantly, lanthanide and transition metal ions exhibit unique luminescent properties that can be used as activators in various insulating host matrixes emitting wide range of luminescence from ultraviolet to near infrared. However, the luminescent advantages of these doping ions in the ferroelectric hosts are rarely exploited. The goal of this proposal is to study the luminescent behaviors of the dopants by incorporating the selected lanthanide and transition metal ions into the representative ferroelectric nanomaterials. One major part of this proposal is studying the luminescent properties through electric field and stress stimulus. Simultaneously, we systemically study the modification effects on the ferroelectric and piezoelectric properties of the host after doping. We also study new phenomena and mechanisms of ferroelectric/piezoelectric-luminescent couplings and design new optical-electrical devices from the luminescent ferroelectrics as prepared. We envisage that our study not only will extent a new direction for the ferroelectrics research, but also will greatly promote further developments of the advanced optical and electrical devices.

无机铁电体是一类具有优异的电、力、热和光特性且用途极为广泛的重要功能材料。近年来，人们在不断优化电学特性的过程中，大量研究报道选择镧系稀土或过渡金属离子通过适量的掺杂，其铁电和压电性能可以得到有效的调控；同时，镧系稀土和过渡金属离子还可以用作绝缘电介质材料的激活剂，产生紫外到红外各种波段的光发射。然而，关于这些掺杂离子在铁电基质内发光行为的研究却相对滞后。本项目结合当前铁电材料的研究热点，以具有代表性的新型无机铁电纳米材料为基质，选择镧系稀土或过渡金属离子掺杂，研究掺杂离子在铁电基质内的发光行为。在微观尺度下，探索掺杂发光离子在新型铁电基质内受电场和应力作用下的发光新特性。与此同时，通过掺杂，系统地调控并优化铁电纳米基质固有的铁电和压电特性；在此基础上，探索铁电/压电与发光耦合新效应的作用机理并开发新型光电器件。该项目将拓宽铁电材料的研究范畴并为新型光电器件的开发奠定基础。

随着现代光电技术的飞速发展，要求对材料的智能化，小型化和多功能化程度越来越高，对我国新材料技术也提出了新的要求。铁电材料是一类用途广泛的功能材料，在诸多等领域发挥着重要的作用。多功能的铁电材料，例如多铁材料的研究极大的拓展了铁电材料的应用范畴。和半导体材料不同，铁电材料多数是绝缘体材料，不具发光特性。近年来，国内外广大研究者通过对铁电材料掺杂发光中心从而形成多功能的发光铁电材料，这类新型铁电材料通常兼具发光和铁电双重特性，同时具有铁电极化调控发光等新型耦合特性，在光-机-电一体化智能及多功能集成光电器件中具有重要的研究意义，从而掀起广大研究兴趣。本项目结合学界对新材料迫切需求，以几类新型铁电/压电发光材料为研究对象，通过镧系稀土或过度金属掺杂，同时研究发光特性和光电耦合新效应，以实验结合理论进行深入研究的同时，在优化改良铁电特性的同时，还研究发光特性，“电-光”和“力-光”耦合效应，集发光和铁电为一体的多功能铁电材料。新型稀土掺杂铁电材料，不仅能拓展我国稀土战略资源的应用，还在集成高密度存储和光信息通信等领域具有重要的潜在应用。本项目主持人以第一作者(等同贡献)或通讯作者身份在Advanced Materials，Nano Energy，Nanoscale和Optical Communication等期刊上发表6篇论文，10余篇合作作者或合作单位论文发表Small，Advanced Energy Materials，Journal of Materials Chemistry C，ACS Applied Materials & Interfaces和Journal of the American Ceramic Society；同时受此资金资助的成果还发表在Nature Communication等期刊上。申请专利5项，培养硕士研究生2名，协助培养博士研究生1名，指导博士后2名。