空位辅助化学压释放实现发光材料效率的巨大提升

　　在离子掺杂发光材料领域，掺杂离子与基质离子如存在很大的尺寸差异，实现掺杂材料的高效发光是一个巨大的挑战。这主要是由于离子尺寸适配引起的化学压使得掺杂离子的局域环境产生严重的畸变，从而导致活性中心的荧光量子效率低下。为解决这一科学难题，苏州大学材化部孙洪涛教授课题组开发了一种便于实现的具有一定普适性的调控技术—空位辅助化学压释放，实现了一系列发光材料发光效率的巨大提升，通过进一步深入解析，他们在发光增强机理认识上取得了重大进展，相关研究成果发表在2017年8月10日的《Advanced Optical Materials》上。 

　　当掺杂离子的尺寸远大于基质中的阳离子尺寸时，掺杂离子局域配位环境畸变严重，仅少量合成过程中引入的缺陷使部分掺杂离子的化学压得以释放，大部分掺杂离子处于荧光暗态(dark emitter)（图1）。基于这种考虑，该课题组以铋掺杂的氧化镥为研究对象，通过调控局域规整反应的剧烈程度实现氧空位数量的调控，由于氧空位可以随机分布在掺杂离子周边，从而成功实现了铋离子从暗态到明态(bright emitter)的转化，发光效率实现了接近8倍的提升（图1）。该结果针对发光材料中化学压的负面效应提供了一种灵活的解决策略，更为重要的是，该方法普遍适用于调控其他活性离子掺杂发光材料。该方法简单可行，适用于粉体、薄膜等多种形态的铋掺杂材料。 

　　图1 机理图。左图：化学压释放前大部分Bi3+离子处于暗态，仅少量合成过程中引入的缺陷使部分掺杂离子的化学压得以释放。右图：局域规整反应引入的氧空位促使原来化学压导致的暗态Bi3+离子转化为明态，从而导致发光效率提升（下部图）。 

　　图 2. 在北京同步辐射装置（BSRF）1W2B-衍射谱学综合实验站测试获得获得傅里叶转变的Lu LIII边EXAFS谱图。数据表明局域规整反应后由于氧空位的产生，镥配位环境获得调整。Precursor和Ca-350分别代表前驱物和在350度处理的样品。 

　　同步辐射光源帮助该课题组分析基质离子局域配位结构的变化（图2），结合其他表征，为确定空位辅助化学压释放实现发光材料效率提升这一方法提供了重要的支持。该课题组组长、苏州大学材化部孙洪涛教授这样描述他们的工作：“我们开发的具有一定普适性的空位辅助化学压释放的技术解决了离子尺寸适配导致的发光效率低下这一困扰研究者多年的难题，使得原来认为不可行的掺杂方式变为可行，将极大的促进发光材料的可控制备并推动它们的实际应用。鉴于化学压效应存在于多种功能材料中，我们期望并相信这一技术能够扩展到其它类型的材料中，而同步辐射光源将为该类研究提供必不可少的保障。”

　　发表文章： 

Kai Zhang, Chong-Geng Ma, Jun-Ying Zhang, Bo-Mei Liu, Yang Zhou, Shao-Qiang Guo, Jia-Yue Xu, Jing-Shan Hou, Yong-Zheng Fang, Li-Rong Zheng, and Hong-Tao Sun,* Giant Enhancement of Luminescence from Phosphors through Oxygen-Vacancy-Mediated Chemical Pressure Relaxation, Adv. Optical Mater., 2017, 5, 1700448.