项目名称： 掺稀土固体发光材料的理论研究

推荐单位： 重庆市

项目简介：

所属科学领域：

本项目属凝聚态物理中的固体发光学领域。

主要研究内容：

很多重要的光电材料是包含稀土或过渡族金属离子的材料，本项目从事掺稀土发光材料的理论机理研究。研究体系上着重掺稀土离子的绝缘纳米离子体系（含常规材料），也涉及到掺过渡族元素的半导体纳米粒子及无掺杂的纳米量子线。研究的发光机理包含传统的f-f跃迁和近年来才广泛开展的f-d跃迁。主要为下面5方面：

1）发展实验手段合成掺Eu3＋纳米颗粒，研究掺稀土纳米发光材料的光谱性能、机理；

2）开展一系列新型材料中f-d跃迁的研究，解释和预言f-d跃迁的光谱结构对稀土离子和配位环境的依赖关系，研究其中的辐射、非辐射跃迁机制和材料的发光动力学过程；

3）解释纳米ZnS:Mn2+的高自发辐射速率和高发光效率及相关现象，探索掺杂过渡金属离子的宽禁带半导体材料的发光性能；

4) 探讨局域介质环境等发光材料辐射跃迁寿命的影响，给出各种情况下的理论模型；

5）发展多体微扰论用于处理掺杂孤立发光中心的多电子体系，试图解决双光子跃迁、激发态吸收等激光光谱学方面的一些疑难。

科学价值和同行引用评价：

率先合成高淬灭浓度纳米掺杂发光材料并给出微观机理。该机理的表述被采用，引起国际同行对掺稀土纳米发光材料的广泛研究兴趣；率先给出纳米体系中局域多电子态和扩展单电子态相互作用的模型，被国际同行广泛采用及推广；率先提出涉及f-d跃迁的材料光谱性能分析的简化理论模型，可以对光谱进行简单有效的理论分析，被称为段-Reid理论；解决了有20年历史的双光子吸收光谱疑难；给出了局域介质环境对辐射寿命的影响的模型的判据。这些理论和模型为推动稀土离子在发光材料领域的更广泛的运用奠定了基础。10篇主要论文已经被国内外同行他引329次，其中SCI他引231次。

主要发现点：

1、核心发现点：

1) 率先用改进的燃烧法合成掺Eu3+纳米Y2O3颗粒，发现纳米体系比常规粉末材料的Eu3+的淬灭浓度要高得多，由于在提高发光粉的光学性能方面具有潜在的重要意义，我们对此进行了广泛深入的研究。对类似体系纳米Y2SiO5掺Eu3+的高浓度淬灭现象的系统，给出了这一现象的机理，明确给出为什么纳米体系稀土离子的淬灭浓度要大得多，以及淬灭浓度对粒子尺寸的定性依赖关系。（代表论文4-6,8,9) （低维物理学 1405035 固体发光 1405045)

2) 率先系统地分析了所有稀土离子在三种典型基质中的光谱性质，提出了易为实验光谱学家应用的简化理论模型，用于分析指认f-d跃迁光谱，简单明了地解释和预言f-d跃迁的光谱结构对稀土离子和配位环境的依赖关系；对各个稀土离子在几种得到广泛实验研究的体系进行了详细分析；发现Eu2+:CaF2双光子吸收线宽的急剧变化是由于f-d能态之间的非辐射弛豫过程导致的，也可以用简化模型完满的解决，解决了困扰人们20年的Eu2+双光子跃迁谱线线宽的剧烈变化问题（代表论文 3,10）（固体发光 1405045，光谱学 1403025）

3)对文献中报道的ZnS:Mn2+的极高自发辐射速率和高发光效率现象进行了透彻的理论分析，否定了原文给出的机理，提出了一个局域多电子态和基质扩展单电子态之间相互作用及耦合的理论模型，对有关现象进行了定量分析和成功解释 (代表论文1）（低维物理学 1405035 固体发光 1405045）

2、其它重要发现点：

4) 澄清了在发光寿命受局域介质环境影响方面关于适用模型的一个长期争论，指出了不同模型的本质和适用条件，并给出了一个推广了的实腔模型（Modified real-cavity model）用于描述含稀土离子的纳米粒子嵌入介质中辐射寿命对介质的依赖关系。（低维物理学 1405035 固体发光 1405045）

5) 创造性地运用多体微扰理论，证明双光子跃迁多体微扰展开只含连通图；有效哈密顿和各种有效算符微扰展开、图形表示和计算规则被统一。解决了1980年代以来双光子光谱强度和各向异性方面的疑难。（代表论文2,3）（固体发光 1405045）

主要完成人： 段昌奎

对本项目主要学术贡献：提出了稀土离子f-d跃迁的一个简单实用的模型，可以用来分析或预言不同稀土离子在各种基质中的光谱性能，该模型起到一个路标来指导基于f-d跃迁的稀土发光材料的研究和开发；参与了纳米体系发光动力学性质的研究，对掺杂稀土离子的纳米体系发光浓度淬灭和发光衰减寿命模型有贡献；在多体微扰理论的基础上于2002年成功解决了1984年来CaF2：Eu2+双光子跃迁的强度和各项异性的理论疑难，在后续工作中给出了双光子跃迁的多体微扰理论的普遍计算方案；澄清了发光团光寿命对其局域环境介质的依赖关心这一在受到广泛争论的问题，给出了一个简单实用的判据。

在该项研究中的工作量占本人工作量的90%。

夏上达

负责研究组的课题选择的设计、工作开展的规划和安排科研工作的实际开展，对所有发现点均有重要贡献；特别是指导纳米体系发光材料的合成和理论机理的发展；指导完善f-d跃迁的简单模型；并给出新的无辐射跃迁的单声子协助能量传递机理。

本人在该项研究中的工作量占本人工作量的80%。

尹民

实际进行纳米发光材料的合成；光谱性能的表征和理论解释。实际指导研究生进行这些工作。对主要发现中的第1)-3)点都有贡献。

本人在该项研究中的工作量占本人工作量的50%。