《摻Yb3+近紅外下轉換髮光材料的能量傳遞機制的研究》是依託北京交通大學，由由芳田擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：摻Yb3+近紅外下轉換髮光材料的能量傳遞機制的研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：由芳田
- 依託單位：北京交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
近年來稀土下轉換髮光材料，特別是摻Yb3+的量子剪裁材料，因有可能提高太陽能電池的效率而成為國內外的研究熱點。通過一個Tb3+、Pr3+或Er3+等離子到兩個Yb3+離子的能量傳遞，實現可見光到近紅外光的轉換，並且量子效率高於100%。但對於能量傳遞機制目前存在很大爭議，而能量傳遞機制直接決定量子效率的計算方法，影響對材料性能的判斷。由於能量傳遞機製取決於能量給體和受體的能級位置，本申請擬以確定稀土離子的基態相對於基質的價帶和導帶的能級位置為主，結合光譜信息和衰減特性，從實驗和理論兩方面深入研究不同基質中雙摻離子之間的能量傳遞或電子轉移過程。雖然稀土離子能級結構的理論已經十分成熟，但對於不同的基質中這些能級相對於基質能帶的位置尚未形成完整、清晰的認識，因此有必要進行相關研究，為設計稀土下轉換髮光材料並正確評估其性能，提供實驗和理論的依據。
結題摘要
稀土下轉換（量子剪裁）發光材料，因理論量子效率可達200%而成為提高發光效率的首選。本項目詳細研究了多種可能發生下轉換髮光的稀土離子摻雜體系的能量傳遞機制。首先重點研究了Nd3+、Ho3+、Tm3+等離子被激發到高能級後，將能量傳遞給Yb3+離子，實現了近紅外發光。通過對比分析不同摻雜濃度的激發光譜和發射光譜以及不同條件下的不同稀土離子的相關能級的衰減特性，確定了發生的能量傳遞過程和能量傳遞效率。同時建立了兩步共振能量傳遞模型，擬合結果給出了傳遞的能量對Yb3+離子衰減的貢獻。其次構建了不同價態稀土離子在不同基質的禁帶中的能級結構圖，確立了二價和三價稀土離子的基態相對於多種氟化物、鋁酸鹽和硼酸鹽等基質的導帶和價帶的能級位置。測試分析了不同條件下Pr3+ (Tb3+或Ce3+) 和Yb3+離子摻雜的NaYF4、NaLuF4、Y3Al5O12 (YAG) 和GdBO3等系列樣品的光譜信息和衰減特性，表明適當條件下可通過RE4+-Yb2+的電子轉移實現近紅外發光。再次研究了在NaGdF4和GdB3O6等基質中，Pr3+能量可經由Gd3+傳給Dy3+或Tb3+等離子，實現下轉換髮光和不同波長光的轉換；但在K2GdF5中Pr3+和Gd3+-Eu3+的下轉換髮光均未發生，而是Gd3+作為中間體將Pr3+ 4f5d能級能量傳給Eu3+。結合基質的結構特點，計算模擬出不同激發下發光的Eu3+周圍Pr3+的機率分布，分析了不同的能量傳遞過程。另外在含Gd3+的磷酸鹽基質中未發生以Tb3+ 4f75d能級為起始的下轉換髮光，結合光譜和衰減數據建立了物理模型，深入分析了不同激發下Tb3+4f75d態到Gd3+的4f7 態以及Gd3+ 6P7/2 態到Tb3+ 4f8 態的能量傳遞機制等。上述研究成果對設計和套用稀土下轉換髮光材料提供了實驗和理論依據。
