項目名稱： 摻稀土固體發光材料的理論研究

推薦單位： 重慶市

項目簡介：

所屬科學領域：

本項目屬凝聚態物理中的固體發光學領域。

主要研究內容：

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，本項目從事摻稀土發光材料的理論機理研究。研究體系上著重摻稀土離子的絕緣納米離子體系（含常規材料），也涉及到摻過渡族元素的半導體納米粒子及無摻雜的納米量子線。研究的發光機理包含傳統的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）發展實驗手段合成摻Eu3＋納米顆粒，研究摻稀土納米發光材料的光譜性能、機理；

2）開展一系列新型材料中f-d躍遷的研究，解釋和預言f-d躍遷的光譜結構對稀土離子和配位環境的依賴關系，研究其中的輻射、非輻射躍遷機制和材料的發光動力學過程；

3）解釋納米ZnS:Mn2+的高自發輻射速率和高發光效率及相關現象，探索摻雜過渡金屬離子的寬禁帶半導體材料的發光性能；

4) 探討局域介質環境等發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）發展多體微擾論用于處理摻雜孤立發光中心的多電子體系，試圖解決雙光子躍遷、激發態吸收等激光光譜學方面的一些疑難。

科學價值和同行引用評價：

率先合成高淬滅濃度納米摻雜發光材料并給出微觀機理。該機理的表述被采用，引起國際同行對摻稀土納米發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和擴展單電子態相互作用的模型，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；給出了局域介質環境對輻射壽命的影響的模型的判據。這些理論和模型為推動稀土離子在發光材料領域的更廣泛的運用奠定了基礎。10篇主要論文已經被國內外同行他引329次，其中SCI他引231次。

主要發現點：

1、核心發現點：

1) 率先用改進的燃燒法合成摻Eu3+納米Y2O3顆粒，發現納米體系比常規粉末材料的Eu3+的淬滅濃度要高得多，由于在提高發光粉的光學性能方面具有潛在的重要意義，我們對此進行了廣泛深入的研究。對類似體系納米Y2SiO5摻Eu3+的高濃度淬滅現象的系統，給出了這一現象的機理，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系。（代表論文4-6,8,9) （低維物理學 1405035 固體發光 1405045)

2) 率先系統地分析了所有稀土離子在三種典型基質中的光譜性質，提出了易為實驗光譜學家應用的簡化理論模型，用于分析指認f-d躍遷光譜，簡單明了地解釋和預言f-d躍遷的光譜結構對稀土離子和配位環境的依賴關系；對各個稀土離子在幾種得到廣泛實驗研究的體系進行了詳細分析；發現Eu2+:CaF2雙光子吸收線寬的急劇變化是由于f-d能態之間的非輻射弛豫過程導致的，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）（固體發光 1405045，光譜學 1403025）

3)對文獻中報道的ZnS:Mn2+的極高自發輻射速率和高發光效率現象進行了透徹的理論分析，否定了原文給出的機理，提出了一個局域多電子態和基質擴展單電子態之間相互作用及耦合的理論模型，對有關現象進行了定量分析和成功解釋 (代表論文1）（低維物理學 1405035 固體發光 1405045）

2、其它重要發現點：

4) 澄清了在發光壽命受局域介質環境影響方面關于適用模型的一個長期爭論，指出了不同模型的本質和適用條件，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中輻射壽命對介質的依賴關系。（低維物理學 1405035 固體發光 1405045）

5) 創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、圖形表示和計算規則被統一。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）（固體發光 1405045）

主要完成人： 段昌奎

對本項目主要學術貢獻：提出了稀土離子f-d躍遷的一個簡單實用的模型，可以用來分析或預言不同稀土離子在各種基質中的光譜性能，該模型起到一個路標來指導基于f-d躍遷的稀土發光材料的研究和開發；參與了納米體系發光動力學性質的研究，對摻雜稀土離子的納米體系發光濃度淬滅和發光衰減壽命模型有貢獻；在多體微擾理論的基礎上于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；澄清了發光團光壽命對其局域環境介質的依賴關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。

在該項研究中的工作量占本人工作量的90%。

夏上達

負責研究組的課題選擇的設計、工作開展的規劃和安排科研工作的實際開展，對所有發現點均有重要貢獻；特別是指導納米體系發光材料的合成和理論機理的發展；指導完善f-d躍遷的簡單模型；并給出新的無輻射躍遷的單聲子協助能量傳遞機理。

本人在該項研究中的工作量占本人工作量的80%。

尹民

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

本人在該項研究中的工作量占本人工作量的50%。