稀土摻雜氮化鎵納米發光材料的微結構設計和製備

《稀土摻雜氮化鎵納米發光材料的微結構設計和製備》是依託福州大學，由胡曉琳擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：稀土摻雜氮化鎵納米發光材料的微結構設計和製備
• 依託單位：福州大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：胡曉琳

項目摘要

稀土摻雜氮化鎵半導體集合了稀土離子的優越光學性質和氮化鎵材料的寬頻隙及可直接電激發等優點，在白光照明、光存儲、光通訊等領域有很好的套用前景。本項目計畫採用組態相互作用與HF單置換(CIS)方法和含時密度泛函理論(TDDFT)方法進行稀土摻雜氮化鎵納米發光材料的激發態模擬計算，並結合實驗製備與表征，深入研究材料的發光機理，探討摻雜離子種類和濃度、缺陷、納米晶粒尺寸等因素對其微觀結構和發光性質的影響。以此為依據進行氮化鎵納米材料的微結構設計，製備獲得具有特定發光波段、高效發光的稀土摻雜納米半導體材料。項目著重在稀土半導體光學性質的模擬計算方法上進行創新，解決發光材料激發態模擬計算的難題，獲得基態模擬計算所無法獲得的激發態電子結構、螢光發射光譜等關鍵信息，為發光材料的微結構設計與製備提供理論指導。項目計畫發表學術論文5-10篇。

結題摘要

本項目基於第一性原理，著重在稀土摻雜氮化鎵光學性質的模擬計算方法上進行創新，解決了激發態模擬計算的難題，獲得基態模擬計算所無法獲得的激發態電子結構、螢光發射光譜等關鍵信息，並結合納米晶的製備與表征，深入研究材料的發光機理。研究表明，採用含時密度泛函理論（TDDFT）方法和單組態相互作用（CIS）方法，選擇Ga26-xRxN26團簇（R=Zn, Eu, Er）為計算模型，可以成功地獲得氮化鎵以及過渡金屬離子Zn2+和稀土離子Eu3+、Er3+摻雜氮化鎵納米晶的電子結構、電子態密度分布、分子軌道分布、吸收光譜等，並可以在最佳化激發態構型的基礎上，模擬獲得其螢光發射光譜等關鍵信息，深入探討氮化鎵納米材料的發光機理。為了評價理論計算的結果是否正確可靠，本項目採用固相熱分解法、醇熱法製備獲得了具有六方纖鋅礦結構的GaN、Zn:GaN、Eu:GaN、Er:GaN、Tm:GaN納米晶材料，探索製備溫度、壓力、濃度、反應時間、洗滌方式等對氮化鎵納米晶的粒徑尺寸、均勻性、純度、形貌的影響，並著重開展了納米晶光譜性質的分析表征。將理論研究與實驗表徵結果相結合，發現固相熱分解法製備得未摻雜氮化鎵納米晶在可見光區的螢光發射主要是由其表層存在氫化物缺陷VN-H引起的。相比於固相熱分解法，採用醇熱法時可能由於壓力較高的原因，氮空位（VN）缺陷或者氫化物缺陷（VN-H）更易被包裹於納米晶內部，而引起可見光區的螢光發射。氮化鎵納米晶摻雜後，在其能隙中分別出現了Zn 4s、Eu 4f、Er 4f等電子態，使能隙減小，受激能量閾值降低，從而擁有了可見光發射，這表明Zn和稀土離子摻雜有利於提高氮化鎵材料在可見光區的活性。本項目綜合探討了缺陷、稀土離子種類、摻雜量子點位置等因素對納米材料的微觀結構和發光性質的影響，以此為依據可以對氮化鎵納米材料的微結構進行設計，這將為獲得具有特定發光波段、高效發光的稀土摻雜納米半導體材料提供很好的參考與借鑑。本項目已正式發表研究論文12篇，其中SCI收錄10篇，另有1篇論文已錄用；並獲得2項國家發明專利授權。