稀土离子掺杂卤磷灰石结构可逆光致变色材料的合成、变色性能调控及机理研究

Inorganic compound based photochromic materials have great and promising potential applicationsins in various fields extending from civil use to national defense, such as erasable optical memory media, sensors, molecular switcher and optical modulation,etc. The current proposal aims to prepare the rare earth ions doped halogen apatite based reversible photochromism materials with excellent photochromic performance. The color variety and controllability are achieved via changing the doped rare earth ions, adjusting the stoichiometry of the matrix or substituting some anions/cations which can tune the crystal strength. Meanwile,the photochromism degree can be adjusted through the co-doping of other rare earth ions into host. On the view of technique, we systematically optimize the synthesis methods, investigate effects of the micro-morphology and crystal field on the photochromism properties. On the view of mechanism, we use thermoluminescence technique to expore the traps depths and distribution. electron spin resonance is employed to reveal the formation and types of the traps.Then,we can revel the relationship between crystal structure,trap states between the photochromism properties. A reasonable photochromism mechanism will be proposed based on the combination of experimental results and theory calculations, which can provide a valuable guide to the futher preparation and study on inorganic photochromic materials. As a result, one or more desirable photochromic materials with great potential applications can be developed.

无机光致变色材料由于其独特的光敏特性,在可读写信息储存、传感器、分子开关、光调制等众多民用和国防领域具有非常大的潜在应用前景。本项目以卤磷灰石结构化合物为基质，拟通过稀土离子的掺杂，寻找性能优异的可逆光致变色新材料。通过改变稀土离子的掺杂种类、置换基质中的元素或调节各元素比例改变稀土离子所处晶场环境从而实现光致变色颜色的多样性和可控性。通过其他稀土离子共掺杂实现光致变色程度的可调性。本项目将系统开展合成条件、微观形态,晶场强度对光致变色性能影响的探讨; 通过热释光技术探索陷阱的分布和深度以及使用电子自旋共振技术研究陷阱的种类和形成。揭示晶体结构、陷阱状态与光致变色性能的关系, 结合理论计算，探索光致变色机理, 为进一步开发新型光致变色材料提供规律性指导, 并最终开发出性能优异具有实用价值的无机光致变色材料。

无机光致变色材料由于其独特的光敏特性,在可读写信息储存、传感器、光开关、光调制等领域具有较大地潜在应用前景。新型无机光致变色材料合成、变色机理及应用是物理、化学和材料诸领域共同感兴趣的研究课题。本项目用四年时间开展了稀土离子掺杂氟磷灰石结构可逆光致变色材料的合成、变色性能调控及机理的研究工作，获得了一系列进展及成果，圆满完成了预定研究目标。四年来，我们通过高温固相法合成了Sr3GdLi(PO4)3F:Eu2+，Sr5(PO4)3F:Eu2+，Ca2Ba3(PO4)3F:Eu2+，Sr3YLi(PO4)3F:Eu2+, Ln3+(Ln=Ho, Nd, Sm, Dy, Er, Gd, La, Lu, Pr, Tb, Tm, Yb, Ce)，Sr3Ca2(PO4)3F:Eu2+, Ln3+ (Ln=La, Y, Gd, Lu)和M5(PO4)3F:Eu2+ (A=Ca, Sr, Ba)等10多种具有潜在应用价值的氟磷灰石结构光致变色材料，得到了合成这些材料的优化技术路线.通过改变稀土离子元素的掺杂种类、调节基质中各组分以及比例，研究了这些因素引起材料内部晶场和晶格缺陷的变化，对光致变色性能的影响，给出了这些材料光致变色产生的机理。我们使用合成的材料，在光调制、光测温和图像存储方面进行应用实验，结果表明它们具有较好地应用前景。. 在项目执行期间，在本课题资助下，我们在国际刊物发表论文16 篇，获得国家发明专利授权7项；培养研究生16名，其中博士生6名，硕士生10名；3名博士研究生获得博士学位，6名硕士研究生获得硕士学位。