发光中心间能量传递的维度控制及其荧光增益

Generally, the energy transfer among emitting centers can hardly be restricted in the three dimensional space. For emitting centers uniformly distributed inside crystal lattices, the rate of energy transfer towards any direction would not exhibit significant differences in theory because they maintain almost the same distances towards all directions. But this situation will no longer exist once the uniformity of emitting centers is broken. Closer distance in some direction produces far more efficient energy transfer than other directions, which consequently cause the appearance of anisotropy for the energy transfer in the space. . In this project, Tb3+ and Eu3+ will be co-doped in Li3Ba2Gd3(WO4)8 and K2Gd(PO4)(WO4) of which sites available for the substitution of rare earth are highly isolated in the space. The layered structure of Li3Ba2Gd3(WO4)8 and lattice confinement effect of K2Gd(PO4)(WO4) will be utilized to help realize the dimensional restraint of Tb3+-Eu3+ energy transfer. The energy transfer is then expected to be restricted into several independent two-dimensional planes or even one-dimensional chains in the space. And so deeper investigations on the energy transfer and its influence on luminescent property of material can be carried out.

一般情况下，发光中心间的能量传递不受三维空间特定方向的约束。对于在空间中处于均匀分布的发光中心而言，鉴于各个方向的间距相等，能量在任意方向上的传递速率在理论是均等。但是，如果发光中心在空间分布的均匀性发生改变，相距较近的发光中心间能量传递速率将大于相距较远的，则可能导致能量传递的“各向异性”。. 项目拟在稀土格位分布不均的Li3Ba2Gd3(WO4)8及K2Gd(PO4)(WO4)基质中进行Tb3+和Eu3+的共同掺杂，利用Li3Ba2Gd3(WO4)8基质的层状结构特点以及K2Gd(PO4)(WO4)基质的格位孤立效应，将原本在三维空间不受限制的Tb3+-Eu3+能量传递过程约束在若干个独立的二维平面甚至若干一维链段当中，以研究能量传递的维度变化对材料发光性能的影响。

共振能量传递取决于发光中心间的微观距离。如若发光中心在空间分布的均匀性发生改变，相距较近的发光中心间能量传递速率将大于相距较远的，则可导致能量传递的各向异性。项目主要研究发光中心间能量传递的维度控制对材料发光性质的影响并尝试计算得到能量在空间中的可传递范围，同时研究材料在LED器件中的性能表现。我们在具有二维层状特征的Li3Ba2Gd3(WO4)8基质中构建了由大量Tb3+环绕包围微量Eu3+的二维Tb3+-Eu3+能量传递空间，结合瞬态荧光光谱研究Tb3+-Eu3+能量传递中的Tb3+-Tb3+迁移次数。在铽基化合物Ca2TbSn2Al3O12基质中，再次构建大量Tb3+环绕Eu3+的能量传递空间，结合瞬态荧光光谱的测试数据，从传递时间的角度出发，首次论证了大面积铽链(Tb3+)n-Eu3+能量传递中的n值约为4。另外，我们还尝在近似于零维的簇结构中，对发光中心间的相互作用进行约束，在六核铽簇[Tb6F8]中构筑不利于能量迁移的“囚笼”，最终使得材料的绝对量子效率达到99.6%。最后，我们还尝试对诸如Ce3+、Sm3+、Dy3+、Tm3+、Mn2+等其他发光中心开展研究，结果表明能量传递的维度控制对于非迁移猝灭型发光中心的增益效果有限，原因在于许多发光中心在较低的掺杂浓度下已然因为交叉弛豫而猝灭。因此，利用能量传递的维度控制提升材料发光性能对于拥有较高猝灭浓度的发光中心更为有效。