基于能量传递颜色可调节的高效长余辉材料的研究

This research is to obtain color tunable long lasting phosphorescence based on energy transfer between different afterglow emitting centers. Because of the same trap, the decay time and rate of all of the emitting centers in the matrix are almost the same. Thus, we can tune the color of afterglow by adjusting the ratio of the concentrations for emitting centers and the energy transfer efficiency. On this subject, we will mainly study the two systems: the one is ZnGa2O4: Ga3+,B3+, and the other is γ-Zn3(PO4)2:Mn2+, Ga3+, Ho3+. In both of the hosts mentioned above, the different afterglow is obtained. The color of afterglow can be adjusted by diffenent concentrations of dopants, different synthesis temperatures and other factors. We can establish the theoretical model to decribe the process of energy storage by traps, the energy transfer between different emitting centers and the energy release by traps through analyzing the emission and excitation spectra, the TL spectra, the decay curves of afgerglow and so on. We will discuss the energy transfer between different emitting centers, the traps and the emitting centers. We will study a series of luminous dynamic process as well as the relationship between the afterglow and material composition, structure and preparation conditions. Finally, we want to give a clear and reasonable description of the physical picture for the energy transfer process and the persistence mechanism.

本课题利用掺杂相同陷阱离子的同种基质中不同余辉中心间的能量传递，通过调节不同发光中心掺杂浓度比值来调节余辉中心的数目及能量传递效率，进而得到颜色可调节的长余辉材料。余辉衰减在很大程度上取决于掺杂陷阱离子浓度及种类。因此，相同陷阱离子保证了不同余辉中心有相同的衰减速率。本课题将重点研究ZnGa2O4: Ga3+, B3+、γ-Zn3(PO4)2：Mn2+,Ga3+,Ho3+两个体系。在以上两种基质中，通过调节合成温度及掺杂离子浓度比例可获得一系列余辉发射颜色不同的样品。利用光谱分析、热释光谱分析及余辉衰减曲线分析，给出合理的理论模型，并在该模型的基础上研究不同余辉中心间的能量传递、余辉中心与陷阱离子间的能量传递等一系列发光动力学过程，并就上述过程讨论余辉与材料组成、结构和制备条件的关系规律，给出清晰合理的描述能量传递过程和余辉机理的物理图像。

长余辉材料是一类能够储能节能的环保型发光材料，其在照明、显示、军工、医疗及日常生活中有着广泛的应用。基于长余辉材料在应用中存在的不足，开发颜色多样、余辉时间长、亮度高的长余辉材料就成为一项迫切的任务。该项目主要针对开发颜色多样稳定的长余辉材料展开的。而基于长余辉材料的发光机理，确保在应用过程中保持多种发光中心的余辉衰减速率始终一致很难做到，因此三基色原理不再适用。开发同种基质中受相同陷阱调控的颜色可调节的长余辉材料是本课题提出的一种解决长余辉材料颜色多样化的一个途径，同时还尝试开发了其他新型长余辉材料。本项目的主要研究内容可以分为以下几点：1）在Zn3(PO4)2基质中利用不同发光中心间能量传递过程和发光中心数量调控实现长余辉材料的颜色调节；2）以ZnGa2O4为基质的长余辉材料的制备以及性能的研究；3）蓝白色长余辉材料β-Ga2O3制备及性能研究。研究结果表明，1）在Zn3(PO4)2体系中存在三种相，α相，β相和γ相。合成条件相同，改变Mn2+的掺杂浓度能够引起相变，从而影响余辉颜色。若在同种相中，同样可以通过添加辅助离子来控制相同相中发光中心Mn2+占据格位不同，进而调控余辉颜色。2）针对ZnGa2O4体系，采用不同Zn源制备的ZnGa2O4余辉光谱相似，但余辉性能有很大差别。 在该体系中B3+的掺入可以有效提高余辉性能。作为发光中心Cr3+的掺入可以在ZnGa2O4体系中获得红色长余辉材料；3）半导体发光材料β-Ga2O3其自身由于存在大量缺陷，发射蓝白色宽带，而余辉性能较差，掺入B3+，可以有效的增加陷阱深度及数目，因此余辉性能增强，有望成为潜在的实用性的蓝白色长余辉材料。该项目在Zn3(PO4)2体系中通过掺杂辅助离子，控制不同发光中心的比例，同时考虑发光中心间的能量传递过程，可以实现同种基质中由同一陷阱控制的多种颜色余辉。从而为实际应用中设计和开发多色长余辉材料提供了理论和实践的依据。在长余辉性能不突出的材料中，加入适合的离子，如B3+，可以增加陷阱数目及深度，从而提高余辉性能，增强其实用性。同时在这类材料中适当改变发光中心，也是实现余辉材料颜色多样化的一个途径。