“光肥”用长余辉发光材料在缺陷态协助下的光转换过程研究

The photo-synthesis process of plants could be improved when the long persistent phosphors were employed for which possess the ability of photo-conversion and photo-storage properties. In this work, rare earths doped germinate, zirconate and stannate of which with the d10 electron configurations as the host matrix would be investigated. We aim at to realize the blue and red-orange light emitting in the above mentioned long persistent phosphors, which harvesting sunlight efficiently and safely disposing of dangerous excess excitation energy. Moreover, the slow and persistent release of the storaged photo-energy in these electron trapping materials under a weak light environment, especially at night, contributes to the prolonged photo-synthesis time, which could be beneficial to the growth of the plants in Yunnan province. More importantly, a comprehensive understanding of the photo-conversion of the long persistent phosphor would be studied in detail in this work, based on the investigation of the carriers’ capturing, releasing and transporting processes of which critically rely on the intrinsic and introduced defects. The results have fundamental important scientific significance and practical value to the energy utilization and environmental pollution of fertilizer overuse, and this study could provide the experimental basis and reliable scientific data for the research of the long persistent phosphors.

借助于长余辉发光材料的光存储与转换能力，将不被植物所有效利用的太阳光能量存储、转化为能够被光合作用有效利用的蓝光和红橙光，并在夜晚持续释放，可以延长植物的光合作用时间、增强光合作用效率，有利于植物的生长发育，提高植物的产量和质量。本项目利用锗酸盐、锆酸盐、锡酸盐等d10离子自俘获材料基质的本征缺陷，通过稀土离子掺杂构建合适的陷阱结构，并利用不同深度陷阱分布影响缺陷态对载流子俘获、释放及传递过程，进而实现发光中心离子的颜色调控，达到在该类材料中对适合于植物生长光谱波段筛选的目的。本项目通过缺陷态的构建与其深度的调整实现长余辉发光材料光谱颜色的选择形成“光肥”作用，以促进本地区具有高经济附加值植物的生长，这对于高效利用能源和解决植物肥料污染具有重要的实用价值；其通过缺陷态探究载流子运动规律的研究手段也为长余辉发光材料的机理研究提供了实验基础和科学依据。

本项目借助于长余辉发光材料的光存储与转换能力，将不被植物所有效利用的太阳光能量存储、光转化为能够被光合作用有效利用的蓝光和红橙光，并在夜晚持续释放，可以延长植物的光合作用时间、增强光合作用效率，有利于植物的生长发育，提高植物的产量和质量。本项目利用锗酸盐、锆酸盐、锡酸盐等d10离子自俘获材料基质的本征缺陷，通过稀土离子掺杂构建合适的陷阱结构，并利用不同深度陷阱分布影响缺陷态对载流子俘获、释放及传递过程，进而实现发光中心离子的颜色调控，达到在该类材料中对适合于植物生长光谱波段筛选的目的。. 在项目实施过程中，按项目申请书所列研究内容，我们开展了本征缺陷引起d10 离子氧化物基质自俘获光致发光及余辉现象的研究，探究了本征缺陷对于发光中心发光行为的影响，以及通过构建合适的陷阱能级，缺陷态辅助发光中心光谱调节的研究。研究结果针对基质结构中本征缺陷对于其自俘获光致发光行为及长余辉特性的影响，明确了本征缺陷对于载流子俘获及释放过程的影响。通过光致发光光谱、长余辉发光光谱、热释光曲线、光激励光谱等表征手段并结合第一性原理计算，实现对缺陷态的本征属性的归属及充当角色的认定。在此基础上，我们基于基质材料本征缺陷对激活剂离子的发光行为的影响，结合陷阱结构特点，实现了通过构建合适的陷阱能级，对发光中心不同激发态能级的调控过程。这一结果，为通过缺陷能级的搭建，操纵发光中心离子的颜色调控，达到光谱波段筛选的目的奠定了坚实的基础。此外，结合前期实验结果，我们通过光环境的成功搭建，实施于云南高山植物小玫瑰与四季海棠的种植与栽培过程，证实了光存储与光转换材料在植物生长光谱波段筛选的“光肥”作用。. 本项目所实现的“光肥”作用，为促进本地区具有高经济附加值植物的生长， 高效利用能源和解决植物肥料污染具有重要的实用价值；其通过缺陷态探究载流子运动规律的研究手段也为长余辉发光材料的机理研究提供了实验基础和科学依据。