【摘 要】
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稀土离子掺杂荧光材料具有高效率、易合成、低成本和稳定性高等优势,被广泛应用于LED白光照明。寻找新型的荧光材料以获得最接近太阳光的白光是现如今研究的主要目标。传统的研究方法是基于大量的实验,在时间和成本上存在很大缺陷。另外,实验也很难对许多现象从底层的物理机制出发给出很好的解释。例如,掺杂浓度对晶体结构和发光性能的影响非常复杂,发射带和发光中心很难确定,能量传递机制无法解释等等。本文从第一性原理计
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稀土离子掺杂荧光材料具有高效率、易合成、低成本和稳定性高等优势,被广泛应用于LED白光照明。寻找新型的荧光材料以获得最接近太阳光的白光是现如今研究的主要目标。传统的研究方法是基于大量的实验,在时间和成本上存在很大缺陷。另外,实验也很难对许多现象从底层的物理机制出发给出很好的解释。例如,掺杂浓度对晶体结构和发光性能的影响非常复杂,发射带和发光中心很难确定,能量传递机制无法解释等等。本文从第一性原理计算方法入手,选取典型的稀土离子掺杂荧光粉焦磷酸盐作为研究对象,系统的研究了不同镧系元素掺杂之后的晶体结构和电子结构情况,探索了镧系元素掺杂的规律性和趋势,并对实验现象给出了理论解释和预测分析。具体的研究内容如下:首先,系统的研究了镧系稀土元素Ln等价和不等价掺杂替换Sr2P2O7中Sr的情况。通过对原胞进行扩胞和掺杂替换(一个Ln2+替换一个Sr2+的等价替换;一个Ln3+替换一个Sr2+且Na+作为电荷补偿替换另一个Sr2+的不等价替换),系统的计算了Sr2P2O7:Ln2+和Sr2P2O7:Ln3+的晶体结构、基态和激发态的电子结构。发现,由于掺入了Ln2+/3+离子,基质材料Sr2P2O7的带隙当中引入了额外的镧系元素的4f和5d能级,导致其电子结构和光学性质发生了显著变化。系统研究了不同镧系元素的4f和5d能级在能带当中的具体位置,以及可能存在的电子跃迁途径,特别关注了4f→5d的高效率辐射跃迁。得到了不同镧系元素掺杂基质材料的能级图,并与实验结果匹配的很好。该结果展示了镧系元素掺杂效果的全局图像,能广泛应用于其他镧系元素掺杂的材料中,并对新型发光材料的开发具有很好的指导作用。其次,系统的研究了M2P2O7:Eu2+（M=Ca,Sr,Ba）的基态和激发态的电子结构及其光电性质。通过拟合V-E曲线得到了M2P2O7的最稳定结构。从计算出的能带结构发现,基质材料都属于直接带隙材料。另外,Eu2+等价替换的基态和激发态电子结构的计算结果表明,Ca2P2O7:Eu2+和Sr2P2O7:Eu2+可以作为明亮的发光材料,与实验结果一致,计算得到的4f→5d的电子跃迁能量也与实验结果基本吻合。通过对比能级图,明确了Mg2P2O7:Eu2+和Ba2P2O7:Eu2+不被作为荧光材料的原因。在M2P2O7:Eu2+研究基础上,进一步探索了M2P2O7:Eu2+Mn2+的发光机理,证实了Eu,Mn共掺的能量转换机制,并给出了实验中明亮蓝光和橙光发射现象的物理原因,也很好的解释了为什么Mn2+的掺入并不会对M2P2O7:Eu2+的发光现象造成明显的影响。
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