Ce3+及Sm3+掺杂LiYSiO4材料的光谱特性及荧光衰减动力学研究

　　由于其特殊的电子组态排布，不同稀土离子掺杂的荧光粉材料通常表现出独特的光学特性。通过分析特定稀土离子掺杂材料在不同环境影响下的光谱响应，可以直观的了解材料中不同能级之间电子跃迁的动力学规律。然而，这种掺杂离子-基质之间的相互作用对于材料的发光性质的影响尚没有被弄清楚。最近，中山大学梁宏斌教授课题组与美国阿贡国家重点实验室刘国奎教授及中科院高能物理研究所陶冶研究员合作，对不同种类稀土离子掺杂LiYSiO4材料的光谱特性及荧光衰减动力学进行了详细的研究，相关结果于2016年2月17日发表在美国化学协会旗下杂志《J. Phys. Chem. C》上 (J. Phys. Chem. C 2016, 120, 4529−4537)。 

　　研究发现材料中广泛存在的能量传递及电子非辐射弛豫现象显著影响到掺杂稀土离子的光谱性质及荧光衰减规律，并且这种影响在Ce3+-Sm3+共掺杂的材料中尤为明显。通过实验表征，该研究组发现导致Ce3+的荧光发生温度猝灭的原因主要是布局于外层5d轨道电子的热电离作用而不是多声子弛豫作用。对于Sm3+离子来说，研究证明不同Sm3+离子之间的交叉弛豫作用是降低其荧光的主要原因，并且这种交叉弛豫通道被确定从属于偶极-偶极相互作用。在共掺杂体系中，Ce3+-Sm3+离子之间的能量传递加强了Sm3+离子的荧光强度。通过对体系中掺杂离子-掺杂离子及掺杂离子-基质相互作用的研究，该研究指出了体系中浓度猝灭，温度猝灭及通过不同通道进行能量传递对材料荧光特性的影响。 

　　图1 利用北京同步辐射装置(BSRF)4B8-真空紫外实验站提供的光源条件，详细测得了掺杂Ce3+样品在真空紫外区(Vacuum Ultraviolet, VUV)的光谱响应，并通过实验数据直接得到了Ce3+在本基质中外层5d轨道的能量分布情况。除此之外，对光谱信息的进一步研究得出了基质材料的光学带隙。这些信息对分析材料的能级能带分布起到了关键作用，对进一步构建稀土离子掺杂材料的绝对能级图给出了直接的数据支撑。 

　　本研究为进一步探索下一代新型荧光粉提出了相应的理论指导。精确确定无机材料能级分布，分辨率更高，亮度更亮的同步辐射光束的使用不可或缺。

　　发表文章： 

　　Rui Shi, Jinzhong Xu, Guokui Liu,* Xuejie Zhang, Weijie Zhou, Fengjuan Pan, Yan Huang, Ye Tao, and Hongbin Liang*, Spectroscopy and Luminescence Dynamics of Ce3+ and Sm3+ in LiYSiO4, J. Phys. Chem. C, 2016, 120, 4529−4537.