基于密度泛函理论计算的磷灰石结构发光材料基质调控及其发光性能研究

论文摘要

天然磷灰石是地球储量非常丰富的一类矿物,因其良好的化学稳定性,被认为是可作为发光材料基质的“明星材料”,近年来引起人们的广泛关注。磷灰石结构具有可调变的晶体学格位,能为稀土离子提供不同的晶体场环境,可为研究材料的成分、结构及其发光性能之间的关系提供条件。磷灰石结构掺杂稀土离子Dy3+是性能优良的单相白光荧光粉,具有应用于白光二极管（w-LEDs）领域的潜力。此外Dy3+的电偶极和磁偶极跃迁发光与其周围的晶体场劈裂效应密切相关,可作为结构探针来反映结构中晶体场的变化。本论文采用高温固相法合成一系列磷灰石结构荧光粉A9Ln（PO4）5（MO4）X2:Dy3+（A=Ca、Sr、Ba;Ln=La、Y、Sc;M=Si、Ge、Sn;X=F、Cl、Br）,运用密度泛函理论（DFT）计算与多种结构、发光性能表征技术,系统研究了7、9次配位多面体中的二价阳离子和三价阳离子、四面体中的四价阳离子以及结构通道中的附加阴离子取代对荧光粉结构和发光性能的影响。主要研究内容和成果如下:1.通过二价阳离子替换,合成了一系列磷灰石结构荧光粉A9La（PO4）5(SiO4)F2:Dy3+（A=Ca、Sr、Ba）,研究了荧光粉的成分变化对其结构及发光性能的影响。研究发现,随着Ca2+、Sr2+、Ba2+的取代,荧光粉的晶胞参数逐渐增大,禁带宽度逐渐减小,稀土La3+主要占据Ca2格位。由于价带能级（HOMO）主要由[PO4]和[SiO4]四面体元素的p轨道电子组成,二价阳离子的替换对其无明显影响,光学带隙的减小源自导带能级（LUMO）的下降。Ba2+、Sr2+对Ca2+的取代减弱了基质中La3+的5d能级劈裂,发光峰位出现蓝移。Ba2+、Sr2+对Ca2+的取代增强质心偏移,使得取代La3+的Dy3+离子的电偶极跃迁强于磁偶极跃迁,发光材料的色温由4663 K降至4225 K,黄、蓝比由0.98增至1.29,发光颜色更偏暖白光。2.通过三价阳离子的替换,合成了一系列磷灰石结构荧光粉Ca9Ln（PO4）5（SiO4）F2:Dy3+（Ln=La、Y、Sc）。研究发现,随着La3+、Y3+、Sc3+的取代,荧光粉晶胞参数逐渐减小,禁带宽度基本保持不变,稀土Ln3+主要占据Ca2格位。HOMO主要由[PO4]和[SiO4]四面体元素的p轨道电子组成,LUMO主要由稀土离子的d轨道和P4+的3s轨道电子组成。Y3+、Sc3+对La3+的取代,降低稀土离子周围的晶体场强度,发光峰位出现蓝移。Y3+、Sc3+对La3+的取代增强Ln3+的质心偏移,使得取代Ln3+的Dy3+离子的电偶极跃迁强于磁偶极跃迁,发光材料的色温由4663 K降至4335 K,黄、蓝比由0.98增至1.21,发光颜色更偏暖白光。3.[GeO4]/[SnO4]取代[SiO4]四面体后,Ca9La（PO4）5（MO4）F2:Dy3+（M=Si、Ge、Sn）荧光粉的晶胞参数逐渐增大,禁带宽度减小,稀土Ln3+主要占据Ca2格位。[GeO4]和[SnO4]的HOMO电子更接近费米面,同时La3+的5d能级出现质心偏移,使得取代La3+的Dy3+离子的电偶极跃迁强于磁偶极跃迁,发光材料的色温由4663 K降低至4325 K,黄、蓝比由0.98增至1.09,发光颜色偏暖白光。[GeO4]取代[SiO4]后,荧光粉的热稳定性从71%升高到95%,使用性能显著提高。4.通过附加阴离子取代,制备了一系列Ca9La（PO4）5（SiO4）X2:Dy3+（X=F、Cl、Br）荧光粉。用Br-/Cl-替换F-,晶胞参数逐渐增大,光学带隙逐渐减小,稀土Ln3+由主要占据Ca2格位调变为主要占据Ca1格位。Br-、Cl-替换F-后,La的5d能级劈裂和质心偏移增强,使得取代La3+的Dy3+离子的电偶极跃迁强于磁偶极跃迁,发光材料的色温由4663K降低至4215 K,黄、蓝比由0.98增至1.18,荧光粉发光颜色偏暖白光。

论文目录

摘要

abstract

第1章绪论

1.1 选题背景

1.2 磷灰石结构发光材料研究综述

1.2.1 磷灰石结构简介

1.2.2 磷灰石结构发光材料研究进展

1.3 密度泛函理论计算及其在荧光材料研究中的应用

1.3.1 密度泛函理论基础

1.3.2 密度泛函理论的研究对象

1.3.3 DFT理论计算及其在荧光材料研究中的应用

1.4 本论文的研究目的与意义、研究内容和技术路线

1.4.1 研究目的与意义

1.4.2 研究内容

1.4.3 技术路线和完成工作量

1.4.4 创新性成果

9La（PO₄）₅（SiO₄）F₂:Dy³⁺（A= Ca、Sr、Ba）结构和性能的影响'>第2章二价阳离子对A₉La（PO₄）₅（SiO₄）F₂:Dy³⁺（A= Ca、Sr、Ba）结构和性能的影响

2.1 样品制备及测试方法

2.1.1 实验原料

2.1.2 样品制备

2.1.3 实验仪器与测试方法

2.1.4 密度泛函理论的计算参数

9La（PO₄）₅（SiO₄）F₂:Dy³⁺系列荧光粉研究'> 2.2 Ca₉La（PO₄）₅（SiO₄）F₂:Dy³⁺系列荧光粉研究

2.2.1 XRD物相分析

2.2.2 电子结构分析

2.2.3 发光性能研究

9La（PO₄）₅（SiO₄）F₂:Dy³⁺（A= Ca、Sr、Ba）系列荧光粉研究'> 2.3 A₉La（PO₄）₅（SiO₄）F₂:Dy³⁺（A= Ca、Sr、Ba）系列荧光粉研究

2.3.1 XRD物相分析

2.3.2 电子结构和光谱分析

2.4 本章小结

9Ln（PO₄）₅（SiO₄）F₂:Dy³⁺（Ln= La、Y、Sc）结构和性能的影响'>第3章三价阳离子对Ca₉Ln（PO₄）₅（SiO₄）F₂:Dy³⁺（Ln= La、Y、Sc）结构和性能的影响

3.1 样品制备及测试方法

3.1.1 实验原料

3.1.2 样品制备

3.1.3 实验仪器与测试方法

3.1.4 密度泛函理论的计算参数

9Ln（PO₄）₅（SiO₄）F₂:Dy³⁺（Ln= La、Y、Sc）系列荧光粉研究'> 3.2 Ca₉Ln（PO₄）₅（SiO₄）F₂:Dy³⁺（Ln= La、Y、Sc）系列荧光粉研究

3.2.1 XRD物相分析

3.2.2 电子结构和光谱分析

3.3 小结

9La（PO₄）₅（MO₄）F₂:Dy³⁺（M= Si、Ge、Sn）结构和发光性能的影响'>第4章四面体对Ca₉La（PO₄）₅（MO₄）F₂:Dy³⁺（M= Si、Ge、Sn）结构和发光性能的影响

4.1 样品制备及测试方法

4.1.1 实验原料

4.1.2 样品制备

4.1.3 实验仪器与测试方法

4.1.4 密度泛函理论的计算参数

9La（PO₄）₅（GeO₄）F₂:Dy³⁺系列荧光粉研究'> 4.2 Ca₉La（PO₄）₅（GeO₄）F₂:Dy³⁺系列荧光粉研究

4.2.1 XRD物相分析

4.2.2 电子结构分析

4.2.3 高分辨透射电镜分析

4.2.4 光谱分析

9La（PO₄）₅(Si_1-xGe_xO₄)F₂:Dy³⁺系列荧光粉研究'> 4.3 Ca₉La（PO₄）₅(Si_1-xGe_xO₄)F₂:Dy³⁺系列荧光粉研究

4.3.1 XRD物相分析

4.3.2 拉曼光谱和NMR分析

4.3.3 键价分析

4.3.4 光谱分析

4.3.5 电子结构分析

9La（PO₄）₅（MO₄）F₂（M=Si,Ge,Sn）系列荧光粉研究'> 4.4 Ca₉La（PO₄）₅（MO₄）F₂（M=Si,Ge,Sn）系列荧光粉研究

4.4.1 XRD物相分析

4.4.2 电子结构分析

4.4.3 光谱分析

4.5 小结

9La（PO₄）₅（SiO₄）X₂:Dy³⁺ （X=F、Cl、Br）结构和发光性能的影响'>第5章附加阴离子对Ca₉La（PO₄）₅（SiO₄）X₂:Dy³⁺（X=F、Cl、Br）结构和发光性能的影响

5.1 样品制备及测试方法

5.1.1 实验原料

5.1.2 样品制备

5.1.3 实验仪器与测试方法

5.1.4 密度泛函理论的计算参数

9La（PO₄）₅（SiO₄）Cl₂:Dy³⁺系列荧光粉的研究'> 5.2 Ca₉La（PO₄）₅（SiO₄）Cl₂:Dy³⁺系列荧光粉的研究

5.2.1 XRD物相分析

5.2.2 电子结构分析

5.2.3 发光性能研究

9La（PO₄）₅（SiO₄）X₂:Dy³⁺（X= F、Cl、Br）系列荧光粉研究'> 5.3 Ca₉La（PO₄）₅（SiO₄）X₂:Dy³⁺（X= F、Cl、Br）系列荧光粉研究

5.3.1 XRD物相分析

5.3.2 扫描电镜分析

5.3.3 电子结构分析和光学性能

5.4 小结

第6章结论

6.1 主要成果

6.2 问题及建议

致谢

参考文献

附录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘海坤

导师: 廖立兵,梅乐夫

关键词: 磷灰石结构,发光材料,结构调控,密度泛函理论,发光性能

来源: 中国地质大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,有机化工

单位: 中国地质大学(北京)

分类号: TQ422;O482.31

DOI: 10.27493/d.cnki.gzdzy.2019.001594

总页数: 112

文件大小: 10536K

下载量: 302

基于密度泛函理论计算的磷灰石结构发光材料基质调控及其发光性能研究

论文摘要

论文目录

文章来源

相关论文文献

猜你喜欢