基于能带调控理论的新型氮（氧）化物红色或近红外长余辉发光材料的设计、制备与应用

The next-generation fluorescence bio-imaging technology using red or near-infrared (NIR) persistent nano-phosphor as fluorescent label is expected to solve the existed problems in the conventional bio-imaging methods such as ultra-violet irradiation damage, background fluorescence, and limited depth of detection. Therefore, investigation of red or NIR persistent phosphors with good chemical stability, sufficient afterglow intensity and duration time is significant for the development of life science and luminous lighting technology. In this project, we plan to explore potential hosts for red or NIR persistent luminescence in (oxy)nitride compounds, introduce abundant traps contributing on the persistent luminescence into the hosts by a method of codoping, control the relationship of energy-band-of-host, energy-level-of-active-center, and energy-level-of-trap by varying composition of the host, emphatically investigate the effect of structure and preparation process on the concentration, depth, and distribution of trap, and finally obtain novel (oxy)nitride persistent phosphors with excellent optical and chemical properties. This project is important to promote the application of persistent phosphors especially on the bio-imaging aspect, and to understand the design principle of (oxy)nitride persistent phosphors as well as the mechanism of persistent luminescence.

以红色或近红外长余辉发光纳米材料作为荧光标记物的新一代生物荧光标记技术可以有效地解决传统荧光标记技术中客观存在的紫外线辐射伤害、背景荧光和探测深度有限等缺点问题。研究和开发具有优良化学稳定性、足够余辉强度和余辉时间的红色或近红外长余辉发光材料对于促进生命科学研究以及夜间警示照明技术的发展具有重要而积极的意义。本研究拟在氮（氧）化物材料体系中探索合适的材料基体，通过离子共掺等方式引入大量对长余辉发光有贡献的缺陷能级，通过调节基体成分对基体能带-发光中心能级-缺陷能级三者的相对位置进行精确调控，并着重研究影响材料中缺陷能级密度、深度和分布的各种结构、工艺因素，从而制备性能优异的新型氮（氧）化物红色或近红外长余辉发光材料。本研究的实施对于拓展长余辉发光材料的应用特别是在生物荧光标记等方面的应用具有重要的现实意义，同时对于深入理解氮（氧）化物长余辉发光材料的设计原理和发光机理具有较高的理论价值。

红色或近红外发光长余辉发光纳米材料具有无紫外辐射伤害、无背景荧光、大的探测深度等优点，有望发展成为下一代生物荧光标记技术；同时，红色长余辉荧光粉在传统夜间警示标记中显示出巨大的应用需求。然而，当前已报到的红色或近红外发光长余辉发光材料类型非常有限，几种商用的红色长余辉荧光粉化学稳定性较差。因此，开发设计发光波长位于红光及近红外区、余辉性能优异、化学稳定性良好的新材料具有明确的必要性。本项目基于上述研究背景，提出基于能带调控和陷阱能级调控两种设计思路，选择氮化物或氮氧化物作为主要材料基体，综合结构测试、形貌观测、光谱表征、热释发光曲线测定等多种研究方法，开展了多个材料体系的研究工作。本项目主要在以下三个方面取得进展。一、设计开发了多种新型氮氧化物基长余辉材料，包括红色发光SrSi2O2N2: Yb2+,Ln3+、红色和近红外双发光中心(Ba1-xSrx)AlSi5O2N7: Yb2+,Yb3+、绿色发光SrSi2O2N2: Eu2+,Ln3+、绿色发光SrAl2SiO2N3: Eu2+,Ln3+等。针对当前商用长余辉发光材料主要集中与氧化物及硫化物，氮化物或氮氧化物及长余辉材料的发现和应用对于该领域的发展具有重要意义。二、运用了能带调控和陷阱能级调控两种方法成功实施了单一材料体系内的陷阱深度调控，并获得所需的余辉发光特性。这两种材料设计思路对于开发更多具有特定陷阱深度需求的材料具有重要启示作用。三、进一步拓展了长余辉发光材料的应用领域。特别是具有窄分布的深陷阱长余辉材料的成果开发，推动了其在信息存储领域的应用。该工作已引起国内外研究者的广泛关注，有可能在面向光学信息存储应用的新型深陷阱长余辉发光材料方面产生新的研究热点。