基于晶格调控的Mn4+掺杂烧绿石型红光材料的构建及光谱调节研究

The Mn4+ ions activated narrow-line red-emitting phosphors have drawn wide attention due to their significant effects on improving the performance of GaN based white LEDs. Currently, the long wavelength emissions of Mn4+ activated oxides are usually insensitive to human eyes, which restrict their application. To address this problem, our project is proposed to tune the Mn4+ emission in pyrochlore-type oxides through lattice regulation and fabricate red phosphors with ideal properties. The crystal structures are regulated by means of cation substitution and optimized by density functional theory calculation. The relationship among composition, crystal structure and luminescence property is revealed by spectra measurements and coordination environment analysis. By establishing proper luminescence dynamic model of Mn4+ ions, the mechanism of luminescence quenching can be illustrated. Moreover, experiments are conducted to improve the emission intensity, quantum efficiency and thermal stability of the phosphors and optimize their size, morphology and crystallinity. The finally obtained Mn4+ doped oxide red phosphors are expected to improve the performance of WLEDs. In this way, this project can enrich the red materials and provide theoretical and experimental basis for the exploration and spectral tuning of Mn4+- activated oxides.

具有线状红光发射的Mn4+离子掺杂荧光材料能有效改善GaN基蓝光转换型白光LED器件的性能，受到研究人员的广泛关注。本项目针对现阶段Mn4+离子掺杂氧化物红光材料普遍面临的由于发射波长过长引起的能量分布不匹配问题展开研究，以稳定且适于掺杂的烧绿石型氧化物为基质，致力于通过调控晶格结构进行Mn4+离子发射光谱的调节及性能优良红光材料的构建。基于离子取代方法结合结构精修及密度泛函理论调控并优化分析基质晶格结构；通过光谱表征及激活离子配位环境分析揭示基质组成、晶格结构与发射波长的内在关系及作用机制，获得Mn4+离子光谱调节的方法；建立合适的Mn4+离子荧光衰减动力学模型，阐明荧光猝灭机理；探索荧光材料发光强度、量子效率、热稳定性等的提升方法及尺寸、形貌、结晶性等的优化技术。本项目将丰富现有红光材料，并为Mn4+离子掺杂氧化物荧光材料的光谱调节及新型基质探索提供理论指导和实验依据。

白光发光二极管作为一种新型全固态照明相具有光效高、寿命长、体积小等优点，荧光转换型(即“芯片”+“荧光材料”)是目前白光 LED 的主要实现方式，荧光材料作为器件的重要组成，其性质对器件的性能有重要影响。基于此我们以锰离子和稀土离子为掺杂离子，以烧绿石材料及磷酸盐材料为基质，探索了多种新型发光材料，并对发光材料发光颜色及发光性能的影响因素进行了研究。主要包括: ①烧绿石型荧光材料的合成与性质研究，通过改变合成条件，获得了数种单一相的烧绿石结构的物质La2Sn2O7、Y2Sn2O7、La2Ti2O7、Y2Ti2O7，并通过离子掺杂实现材料的发光。②进行了荧光材料发光颜色的调节研究，通过离子取代改变基质结构以及通过离子的共掺杂实现能量传递，在磷酸盐基质材料中实现了荧光材料的发光的调节，并成功获得了红光材料。③荧光材料的性能提升研究，通过改变合成方法、合成条件，研究了其对材料尺寸、结晶度、热稳定的影响，获得了高热稳定性的磷酸盐红光材料和具有零温度淬灭的绿光材料。在项目研究的过程中采用DFT理论计算、Rietveld结构精修、荧光光谱、荧光寿命分析等方法对材料的电子结构、晶体结构、发光性质、应用潜力等方面展开了详细研究，并获得多种有应用潜力的红光材料。该项目的研究丰富了现有荧光材料的种类，为新型白光 LED 用荧光材料的基质探索、能带结构、晶格结构及发光性质的分析提供提供理论指导和实验依据。