基于低维链状结构的长波发射长余辉材料的发光性能及缺陷态研究

The development and research of persistent phosphors in the 600-1000nm are far behind their visible counterparts, even though there are increasing demands in recent years for applications as indentification markers in defense and security and as optical probes in bio-imaging. The main reason is that the persistent luminescence mechanism is usually complicated and has not been well studied, especially the research on the intrinsic properties of defect state and the trapping process of carriers is lacked. In this work, we aim at to realize the persistent luminescence with long wavelength emission in unique host with a low-dimensional chain crystal structure, for which doped with rare earth ions with suitable level structure as the effective luminescent centers and trap centers, respectively. The low-dimensional chain crystal structure is beneficial to the formation of the trap level and excited state level, and especially could provide a effective transmission path in one direction between luminescent centers and trap centers. In this research, it is facile to realize the investigation of the effect of microstructure changes on the defect structure environment and excited state transition process by designing the low-dimensional crystal structure with adjusting the chaining way of cations' groups. Furthermore, a comprehensive understanding of the process for capturing, releasing and carrying of carriers will be proposed, based on the investigation of intrinsic properties of defects and carriers captured process by studying the defect structure. The results are of importance not only for designing and developing the persistent phosphors with long wavelength emission, but also for understanding the mechanism of persistence performance.

长波发射（600nm-1000nm）长余辉发光材料在生命医学领域应用潜力巨大，然而相比短波发射长余辉发光材料的发展较为缓慢。这主要归因于对其余辉机理过程的不明确，即对缺陷态本征属性及对载流子俘获过程认识不够透彻。本项目拟选择具有低维链状结构的基质材料，通过引入具有合适能级结构的稀土离子作为有效发光中心和陷阱中心，构建长波发射长余辉发光材料。低维链状结构为陷阱能级和激发态能级的形成提供条件，并在发光中心和陷阱中心之间构建单一方向有效传输通道。项目以调控阳离子基团连接方式为切入点，对低维结构进行设计，实现微观结构变化对缺陷结构环境以及激发态辐射跃迁过程的调制。通过微观缺陷结构的研究，探究缺陷态的本征属性及其俘获载流子的能力，进一步了解载流子俘获、释放及运输的物理机理。项目的研究成果将为长波发射长余辉发光材料的设计和研发提供新的思路和理论依据。

本项目选择具有低维链状结构的镓锗酸盐为基质材料，通过引入具有合适能级结构的稀土离子作为有效发光中心和陷阱中心，构建长波发射长余辉发光材料。低维链状结构为陷阱能级和激发态能级的形成提供了条件，并在发光中心和陷阱中心之间构建了单一方向有效传输通道。项目通过对低维晶体结构进行设计，实现微观结构变化对缺陷结构环境以及激发态辐射跃迁过程的调制。通过微观缺陷结构的研究，探究缺陷态的本征属性及其俘获载流子的能力，进一步了解载流子俘获、释放及运输的物理机理。本项目的研究成果长波发射长余辉发光材料的设计和研发提供新的思路和理论依据。项目主要从以下几个方面开展：.（1）材料的设计及其结构对其发光性能影响规律的研究：在所制备的镓酸盐基质材料中，我们发现该结构中阳离子由于具有沿着a轴方向一维排列的低维结构，可以提供一种贯穿整个晶格的一维隧道。该隧道一方面可以促进载流子之间的运输过程，另一方面有利于缺陷之间的相互作用以及缺陷与载流子之间的相互作用。因此，该材料表现了优异的自俘获发光行为，以及持续的本征余辉发光特性。并且通过发光中心的引入，我们发现在低维链状结构中缺陷态的分布对于载流子的俘获与释放起到了重要的作用，进而影响了材料的电子存储行为。.（2）陷阱结构框架的构建及缺陷态本征属性的归属：我们在前期工作的基础上，通过合成工艺（真空烧结和空气气氛）的控制以及缺陷态的构建对于材料结构中的本征缺陷作用进行了辨别。结果表明本征陷阱氧空位的作用对于其光存储过程存在明显的影响。进一步通过陷阱中心的引入，我们可以构建有效陷阱中心。通过掺杂Nd3+(Nd3+离子在该实验过程中不作为发光中心)引入钙空位陷阱中心，发现随着Nd3+浓度的增加，基质材料的自俘获发光强度都增强，光致发光和长余辉光谱都发生了红移，长余辉颜色可控调节。.（3）陷阱能级与激发态能级相互作用的研究：通过离子掺杂，我们对形成的镓锗酸盐固溶体基质材料中，引入有效陷阱以及有效发光中心。研究结果表明，本征陷阱不仅作为激发态能级实现光致发光过程，同时还可以作为陷阱中心捕获载流子实现基质长余辉发光。本部分工作对我们以后设计长余辉材料以及开发光存储性能是非常有意义的。