解榮軍教授課題組發現超長發射的Eu(II)近紅外發光
發布時間:2022年05月09日 來源:材料學院

近日,材料學院解榮軍教授同加州大學聖迭戈分校Shyue Ping Ong教授合作在高通量計算預測新型熒光材料的研究中取得重要進展,相關成果以“Efficient Near-infrared Phosphors Discovered by Parametrizing the Eu(II) 5d-to-4f Energy Gap”為題在線發表於Cell姊妹刊《Matter》。該工作首次實現了Eu(II) 5d-4f發射能量的定量預測,發現了450 nm藍光激發下發射波長位於830 nm的高效近紅外發射,為高通量篩選特定發射波長的熒光材料奠定了基礎。

稀土元素豐富的電子軌道賦予其優異的發光性能,其中,Eu(II)憑借高效的5d-4f躍遷發光,廣泛應用在照明、顯示、傳感等領域,但Eu(II)在絕大多數摻雜基質中的發射波長主要位於可見光區域(400 ~ 700 nm),且現有的Eu(II)摻雜的近紅外熒光材料發光效率較低(如發射波長740 nm時,量子效率僅為15%),限製了其在近紅外監測和傳感等領域的應用。經典發光理論認為Eu(II) 5d-4f的發射波長主要與其摻雜基質的局域配位結構有關,研製Eu(II)摻雜的高效近紅外熒光材料的關鍵在於挖掘合適的基質材料,但傳統試錯法發現新材料的效率低下。

圖1:Eu(II)發射波長預測模型(左)和高通量篩選近紅外熒光材料基質(右)

針對這一難題,本研究結合經典發光理論和材料大數據分析技術,建立了Eu(II)發射波長與摻雜基質的化學組成、局域配位結構、電子能帶結構相關的6個參數的定量關係,獲得了預測Eu(II)發射波長的物理模型(預測誤差<7 nm)。利用該理論預測模型與高通量計算相集合,從無機晶體結構數據庫中成功篩選出5個近紅外熒光材料基質,並獲得實驗驗證,從而發現了迄今為止發射波長最長的Eu(II)摻雜的近紅外熒光材料,即(Sr,Ba)3Li4Si2N6:Eu(II),其發射波長為830 nm,藍光激發下的量子效率為30%。最後,展示了該材料在虹膜識別、監測和支付係統(810-830 nm)中的潛在應用。本研究突破了基於現象學發光理論和第一性原理預測發射波長時存在的計算成本高、周期長、誤差較大等瓶頸問題,通過建立發射波長的預測模型,並與高通量計算篩選結合,不僅拓展了傳統發光學理論,還為定向設計新型發光材料和理解發光性能提供了新方法。

本研究工作由ob体育欧洲杯官网 和加州大學合作完成。ob体育欧洲杯官网 青年教師李淑星和加州大學Mahdi Amachraa博士為論文第一作者,ob体育欧洲杯官网 解榮軍教授、加州大學王振斌博士和Shyue Ping Ong教授為論文通訊作者。共同作者還包括中國計量大學王樂教授和加州大學Chi Chen博士。重慶郵電大學馬崇庚教授為本工作提供了指導和建議。研究工作得到國家自然科學基金重點項目(項目批準號51832005)等資助。

論文信息:Li et al., Efficient near-infrared phosphors discovered by parametrizing the Eu(II) 5d-to-4f energy gap, Matter (2022), https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.04.009


【責任編輯:張夏】
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