河北大学在三价稀土离子掺杂的余辉机理研究中取得新进展

近日，河北大学物理学院发光与显示团队杨艳民教授研究组与浙江大学邱建荣教授研究组合作，提出了三价稀土离子掺杂的宽带隙基质的长余辉发光机制，认为带间充能过程中等电子陷阱束缚激子起到重要作用，成功设计实现了Gd3+的超长余辉发射。

长余辉发光材料已被广泛应用于夜光显示、照明、安全标识、生物成像等领域。然而，长余辉发光的基本物理机理至今依然众说纷纭，存在普遍争议，这导致长余辉材料的开发依然沿用炒菜式的试错法。该项工作提出了三价稀土离子掺杂的宽带隙基质的长余辉发光机制。带间充能使价带电子被激发到导带，高带隙基质中导带的电子和价带的空穴相互吸引形成常温下稳定的激子，激子也可能参与能量传递过程。获得的数据表明激子能够把能量传递给发光中心并产生光发射。本论文指出稀土离子束缚载流子的能力除了与自身电子排布有关外，还与替代阳离子以及配位阴离子的特性有关。Er3+、Nd3+、Ho3+和Gd3+不易产生余辉的原因是它们自身电子排布导致的较弱的束缚载流子能力。通过改变替代阳离子和配位阴离子成功实现了Er3+、Nd3+、Ho3+和Gd3+的超长的长余辉。等电子陷阱束缚载流子模型不仅可以用于稀土离子余辉设计，也适用于过渡族甚至于主族元素的余辉发射性质预测，从而为设计新型长余辉材料提供理论依据。