基于内电场的应力发光机理研究

应力发光是一种将机械能转换为光能的现象。本项目研究层状结构窄带隙半导体氧硫化物MZnOS(M=Ca, Sr, Ba)体系的应力发光机理和能量传递机制。创新性地将应力发光材料的晶体结构（晶胞参数、晶格缺陷、发光中心离子的配位环境）和电子能带结构（电子态密度分布、能级分布、载流子浓度、陷阱深度）构建的内电场与应力发光联系起来，结合实验分析和理论模拟，定量描述晶体结构和电子能带结构与内电场的相互作用规律，以及内电场与应力发光的内在联系，建立应力发光理论模型和能量传递机制，指导设计合成性能优异的应力发光材料。立此研究项目在固体发光理论研究和前景应用两个方面都具有十分重要的价值和意义。

本项目研究了过渡金属（Mn2+）和稀土元素（Ce3+，Er3+，Sm3+，Pr3+，Tm3+）在CaZnOS基质中的光致发光和应力发光性能，结果表明可以通过改变掺杂离子的种类来获得不同颜色的弹性应力发光现象。施加连续的外界弹性压力的条件下，可以观测到Mn2+在CaZnOS中的红色应力发光，并且随着外界施加压力的变化呈现一定的变化规律。研究了CaZnOS在Ce3+掺杂条件下的光致发光现象，并提出了其发光模型，但是未观测到其有应力发光性能。通过多种稀土离子的掺杂，结合不同稀土离子（Er3+，Sm3+，Pr3+，Tm3+）在CaZnOS基质中的吸收、激发和发射光谱，建立了二价和三价全镧系稀土离子的4f，5d能级在CaZnOS基质带隙中的能级分布情况。在外界应力作用下， Er3+，Sm3+和Pr3+在CaZnOS中可以发射出明显的绿、红色荧光。利用密度泛函理论研究CaZnOS层状结构在外加载荷下的响应性能，针对弹性应力发光的机理，提出弹性应力发光的四种模型和两个关键过程，这对深入理解该结构对晶体本身的电子性能和弹性应力发光的影响具有重要的意义。