項目名稱： 摻稀土固體發(fā)光材料的理論研究

推薦單位： 重慶市

項目簡介：

所屬科學(xué)領(lǐng)域：

本項目屬凝聚態(tài)物理中的固體發(fā)光學(xué)領(lǐng)域。

主要研究內(nèi)容：

很多重要的光電材料是包含稀土或過渡族金屬離子的材料，本項目從事?lián)较⊥涟l(fā)光材料的理論機(jī)理研究。研究體系上著重?fù)较⊥岭x子的絕緣納米離子體系（含常規(guī)材料），也涉及到摻過渡族元素的半導(dǎo)體納米粒子及無摻雜的納米量子線。研究的發(fā)光機(jī)理包含傳統(tǒng)的f-f躍遷和近年來才廣泛開展的f-d躍遷。主要為下面5方面：

1）發(fā)展實驗手段合成摻Eu3＋納米顆粒，研究摻稀土納米發(fā)光材料的光譜性能、機(jī)理；

2）開展一系列新型材料中f-d躍遷的研究，解釋和預(yù)言f-d躍遷的光譜結(jié)構(gòu)對稀土離子和配位環(huán)境的依賴關(guān)系，研究其中的輻射、非輻射躍遷機(jī)制和材料的發(fā)光動力學(xué)過程；

3）解釋納米ZnS:Mn2+的高自發(fā)輻射速率和高發(fā)光效率及相關(guān)現(xiàn)象，探索摻雜過渡金屬離子的寬禁帶半導(dǎo)體材料的發(fā)光性能；

4) 探討局域介質(zhì)環(huán)境等發(fā)光材料輻射躍遷壽命的影響，給出各種情況下的理論模型；

5）發(fā)展多體微擾論用于處理摻雜孤立發(fā)光中心的多電子體系，試圖解決雙光子躍遷、激發(fā)態(tài)吸收等激光光譜學(xué)方面的一些疑難。

科學(xué)價值和同行引用評價：

率先合成高淬滅濃度納米摻雜發(fā)光材料并給出微觀機(jī)理。該機(jī)理的表述被采用，引起國際同行對摻稀土納米發(fā)光材料的廣泛研究興趣；率先給出納米體系中局域多電子態(tài)和擴(kuò)展單電子態(tài)相互作用的模型，被國際同行廣泛采用及推廣；率先提出涉及f-d躍遷的材料光譜性能分析的簡化理論模型，可以對光譜進(jìn)行簡單有效的理論分析，被稱為段-Reid理論；解決了有20年歷史的雙光子吸收光譜疑難；給出了局域介質(zhì)環(huán)境對輻射壽命的影響的模型的判據(jù)。這些理論和模型為推動稀土離子在發(fā)光材料領(lǐng)域的更廣泛的運用奠定了基礎(chǔ)。10篇主要論文已經(jīng)被國內(nèi)外同行他引329次，其中SCI他引231次。

主要發(fā)現(xiàn)點：

1、核心發(fā)現(xiàn)點：

1) 率先用改進(jìn)的燃燒法合成摻Eu3+納米Y2O3顆粒，發(fā)現(xiàn)納米體系比常規(guī)粉末材料的Eu3+的淬滅濃度要高得多，由于在提高發(fā)光粉的光學(xué)性能方面具有潛在的重要意義，我們對此進(jìn)行了廣泛深入的研究。對類似體系納米Y2SiO5摻Eu3+的高濃度淬滅現(xiàn)象的系統(tǒng)，給出了這一現(xiàn)象的機(jī)理，明確給出為什么納米體系稀土離子的淬滅濃度要大得多，以及淬滅濃度對粒子尺寸的定性依賴關(guān)系。（代表論文4-6,8,9) （低維物理學(xué) 1405035 固體發(fā)光 1405045)

2) 率先系統(tǒng)地分析了所有稀土離子在三種典型基質(zhì)中的光譜性質(zhì)，提出了易為實驗光譜學(xué)家應(yīng)用的簡化理論模型，用于分析指認(rèn)f-d躍遷光譜，簡單明了地解釋和預(yù)言f-d躍遷的光譜結(jié)構(gòu)對稀土離子和配位環(huán)境的依賴關(guān)系；對各個稀土離子在幾種得到廣泛實驗研究的體系進(jìn)行了詳細(xì)分析；發(fā)現(xiàn)Eu2+:CaF2雙光子吸收線寬的急劇變化是由于f-d能態(tài)之間的非輻射弛豫過程導(dǎo)致的，也可以用簡化模型完滿的解決，解決了困擾人們20年的Eu2+雙光子躍遷譜線線寬的劇烈變化問題（代表論文 3,10）（固體發(fā)光 1405045，光譜學(xué) 1403025）

3)對文獻(xiàn)中報道的ZnS:Mn2+的極高自發(fā)輻射速率和高發(fā)光效率現(xiàn)象進(jìn)行了透徹的理論分析，否定了原文給出的機(jī)理，提出了一個局域多電子態(tài)和基質(zhì)擴(kuò)展單電子態(tài)之間相互作用及耦合的理論模型，對有關(guān)現(xiàn)象進(jìn)行了定量分析和成功解釋 (代表論文1）（低維物理學(xué) 1405035 固體發(fā)光 1405045）

2、其它重要發(fā)現(xiàn)點：

4) 澄清了在發(fā)光壽命受局域介質(zhì)環(huán)境影響方面關(guān)于適用模型的一個長期爭論，指出了不同模型的本質(zhì)和適用條件，并給出了一個推廣了的實腔模型（Modified real-cavity model）用于描述含稀土離子的納米粒子嵌入介質(zhì)中輻射壽命對介質(zhì)的依賴關(guān)系。（低維物理學(xué) 1405035 固體發(fā)光 1405045）

5) 創(chuàng)造性地運用多體微擾理論，證明雙光子躍遷多體微擾展開只含連通圖；有效哈密頓和各種有效算符微擾展開、圖形表示和計算規(guī)則被統(tǒng)一。解決了1980年代以來雙光子光譜強度和各向異性方面的疑難。（代表論文2,3）（固體發(fā)光 1405045）

主要完成人： 段昌奎

對本項目主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)：提出了稀土離子f-d躍遷的一個簡單實用的模型，可以用來分析或預(yù)言不同稀土離子在各種基質(zhì)中的光譜性能，該模型起到一個路標(biāo)來指導(dǎo)基于f-d躍遷的稀土發(fā)光材料的研究和開發(fā)；參與了納米體系發(fā)光動力學(xué)性質(zhì)的研究，對摻雜稀土離子的納米體系發(fā)光濃度淬滅和發(fā)光衰減壽命模型有貢獻(xiàn)；在多體微擾理論的基礎(chǔ)上于2002年成功解決了1984年來CaF2：Eu2+雙光子躍遷的強度和各項異性的理論疑難，在后續(xù)工作中給出了雙光子躍遷的多體微擾理論的普遍計算方案；澄清了發(fā)光團(tuán)光壽命對其局域環(huán)境介質(zhì)的依賴關(guān)心這一在受到廣泛爭論的問題，給出了一個簡單實用的判據(jù)。

在該項研究中的工作量占本人工作量的90%。

夏上達(dá)

負(fù)責(zé)研究組的課題選擇的設(shè)計、工作開展的規(guī)劃和安排科研工作的實際開展，對所有發(fā)現(xiàn)點均有重要貢獻(xiàn)；特別是指導(dǎo)納米體系發(fā)光材料的合成和理論機(jī)理的發(fā)展；指導(dǎo)完善f-d躍遷的簡單模型；并給出新的無輻射躍遷的單聲子協(xié)助能量傳遞機(jī)理。

本人在該項研究中的工作量占本人工作量的80%。

尹民

實際進(jìn)行納米發(fā)光材料的合成；光譜性能的表征和理論解釋。實際指導(dǎo)研究生進(jìn)行這些工作。對主要發(fā)現(xiàn)中的第1)-3)點都有貢獻(xiàn)。

本人在該項研究中的工作量占本人工作量的50%。