Bi3+激活锡酸盐长波发射余辉材料的构建及晶格和缺陷调控机制研究

With unique luminescence properties, afterglow materials have been widely used in the fields of emergency lighting, safety display and bio-imaging. Though the blue and green emitting afterglow phosphors have been applied to practical production, the stable and efficient long-wavelength (yellow to red) emitting ones are still quite scarce, which restricts the multi-color application of afterglow materials. Therefore, it is an important problem to be solved urgently in the field of afterglow materials. Bi3+ is one kind of excellent luminescence activators, whose emission wavelength is significantly influenced by the surrounding matrix lattice. The stable M2SnO4 stannates are rich in defects and easy to conduct the regulation of lattice and defects. In this project, we will choose Bi3+ as the activator and M2SnO4 stannates as hosts to design stable and efficient afterglow phosphors with long-wavelength emission, by means of lattice and defects regulation. Combined systematic experiments and characterizations with theoretical calculation of quantum mechanics, Rietveld refinement and thermoluminescence dynamics simulation, the relationship between lattice regulation and afterglow spectra distribution of Bi3+, defects regulation and afterglow performance are revealed, respectively. Moreover, the afterglow mechanism of the obtained phosphors can be illustrated based on the experiments and analysis results. Therefore, this project can not only enrich the afterglow phosphors with long-wavelength emission but also provide experimental and theoretical guidance for the design and regulation of novel Bi3+-activated long-wavelength emitting afterglow phosphors with high-efficiency.

余辉材料具有独特的发光特性，在应急照明、安全显示及生物成像等领域有广泛应用。尽管绿光和蓝光余辉材料已用于生产实际，但稳定高效的长波发射(黄光-红光)余辉材料仍十分稀缺，限制了余辉材料的多色化应用，是当前余辉材料领域亟待解决的重要问题。本课题拟选择发光性能优异、发射波长随基质晶格变化可调的Bi3+为激活离子，以稳定易合成、缺陷丰富且易进行晶格和缺陷调控的M2SnO4锡酸盐为基质，致力于通过晶格和缺陷调控实现Bi3+余辉光谱调节及余辉性能提升，从而构建稳定高效的长波发射余辉材料；在系统实验、表征基础上，结合量子力学理论计算、Rietveld结构精修及热释光动力学模拟，阐明晶格调控对Bi3+余辉光谱能量分布、缺陷调控对材料余辉性能的影响机制，并研究材料的余辉机理。通过本项目的实施，不仅可以拓宽长波发射余辉材料的选择范围，还能为后续Bi3+激活新型高效长波发射余辉材料的构建提供实验和理论依据。

余辉材料可利用阳光、灯光或高能射线储能，在夜晚或黑暗处发光，且其储能-发光过程可多次循环而不破坏材料本身。基于其发光特性，余辉材料可被用于弱光照明、安全指示等领域，特别是在紧急情况及某些特殊环境中发挥着至关重要的作用。目前，高效稳定的长波发射(黄光-红光)余辉材料仍十分稀缺，是当前余辉材料领域亟待解决的重要问题。基于此，本项目开展了长波发射余辉材料的探索研究工作。在选择适宜的发光离子和基质材料的基础上，通过调控材料的晶格结构以调节材料的余辉光谱和发射光谱的能量分布，从而实现材料余辉光谱和发光光谱的合理分布；通过调控材料缺陷组成和结构以调节材料中陷阱分布，提高材料的余辉发光性能。通过项目实施，我们成功开发了一系列长波(黄光-红光)发射余辉材料和发光材料，研究了材料余辉光谱、发光光谱能量分布与晶格结构之间的关系，余辉发光性能与缺陷结构之间的关系，探索了一种基于晶格调控和缺陷调控制备长波发射余辉材料的方法。研究发现，在BaZnGeO4:Bi3+材料中，通过控制V_Zn^''和V_Ge^''''缺陷中心的引入，可调控Bi3+的配位环境和材料的缺陷结构，增强电荷俘获能力，实现材料的高效橙光余辉发射；在Sr4Al14O25:Mn2+材料中，通过共掺杂Zr4+、Ho3+和Er3+离子不等价取代基质阳离子，调控材料的缺陷结构和陷阱深度，控制俘获电荷的密度和释放速度，获得高效黄光余辉发射；在缺陷丰富的SrSc2O4基质中掺入Pr3+离子，通过控制Pr3+掺杂浓度调控材料缺陷结构，实现其高效黄光余辉发射；在Ca2Ta2O7:Bi3+材料中，通过不同方式调控基质晶格结构，可实现发光强度和发射光谱能量分布调节；在KAlGeO4:Bi3+,Eu3+材料中，通过调控Bi3+浓度可实现光谱能量分布调节，基于能量传递可实现Eu3+高效红光发射。本项目的研究丰富了长波发射余辉材料的种类，并且可为高效长波发射余辉材料的构建及通过晶格调控和缺陷调控获得高效长波发射余辉材料提供理论指导和实验依据。