First-principles Calculations on Site Occupancy, Valence State and Luminescent Properties of Transition Metal Activators in Solids

CHEN Qiaoling; JING Weiguo; SHANG Longbing; DUAN Changkui; YIN Min

doi:10.37188/CJL.20230102

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

First-principles Calculations on Site Occupancy, Valence State and Luminescent Properties of Transition Metal Activators in Solids

Invited Paper | 更新时间：2023-08-02

- First-principles Calculations on Site Occupancy, Valence State and Luminescent Properties of Transition Metal Activators in Solids
  增强出版
- Chinese Journal of Luminescence Vol. 44, Issue 7, Pages: 1220-1238(2023)
- 作者机构：
  
  1.中国科学技术大学中国科学院微观磁共振实验室，安徽合肥　230026
  2.中国科学技术大学物理学院物理系，安徽合肥　230026
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(11974338)
- DOI：10.37188/CJL.20230102
  CLC： O482.31
- Received：20 April 2023，
  
  Revised：06 May 2023，
  
  Published：05 July 2023
- 稿件说明：
移动端阅览
陈巧玲,景伟国,尚龙兵等.固体中过渡金属离子占位、价态及光谱性质的第一性原理研究[J].发光学报,2023,44(07):1220-1238.

CHEN Qiaoling,JING Weiguo,SHANG Longbing,et al.First-principles Calculations on Site Occupancy, Valence State and Luminescent Properties of Transition Metal Activators in Solids[J].Chinese Journal of Luminescence,2023,44(07):1220-1238.
陈巧玲,景伟国,尚龙兵等.固体中过渡金属离子占位、价态及光谱性质的第一性原理研究[J].发光学报,2023,44(07):1220-1238. DOI： 10.37188/CJL.20230102.

CHEN Qiaoling,JING Weiguo,SHANG Longbing,et al.First-principles Calculations on Site Occupancy, Valence State and Luminescent Properties of Transition Metal Activators in Solids[J].Chinese Journal of Luminescence,2023,44(07):1220-1238. DOI： 10.37188/CJL.20230102.

摘要

过渡金属（TM）激活离子由于在近红外发光、红外激光、荧光转化的白光LED、荧光温度计、余辉发光等方面的优异性能和应用潜力而被广泛研究。TM离子在固体中可占据八配位、六配位、四配位等多种配位格位，可呈现多种价态且光跃迁性质强烈依赖于晶体环境，因此TM离子在固体中的发光中心确定、发光机理理解和性能预测存在困难。本文通过第一性原理计算探索固体中TM离子的热力学和光跃迁性质。内容包括：通过对各种化学氛围下形成能的计算结果，分析基质的本征缺陷以及TM离子占位、价态、分布和浓度；理解不同晶体环境中TM离子的各激发态和能级结构；构建位形坐标图分析激发、弛豫、发射及猝灭过程；提出通过合成氛围、共存条件和离子共掺等方式调控或优化TM离子的占位、价态和光跃迁的方案。本文以若干具有代表性的体系为依托，展示了如何运用第一性原理计算手段进行掺TM离子固体发光材料的研究。具体所涉及的代表体系和研究内容为：Ti∶Al

激光晶体中红外残余吸收机理及其减弱或尽可能消除的方法，典型尖晶石和石榴石基质中Mn

、Mn

的占位和激发、弛豫、发射等光跃迁性质，固溶氧化物基质中铬离子的占位、价态及相应的光跃迁性质等，表明第一性原理计算可用于发光材料的机理研究、理性设计和优化。

Abstract

Transition metal （TM） activators have been widely studied for their extraordinary optoelectronic properties and great potential application in near-infrared luminescence or persistent luminescence， infrared laser， phosphor-converted white light-emitting diodes， luminescence thermometry and so on. However， due to the multiple valence states and multiple site occupancies， and the strongly local-environment-dependent optical properties， it is challenging to determine the sites and valences of the luminescent center， to decipher the luminescent mechanisms and to predict the photoluminescence properties of TM activators in solids. Here， first-principles calculations have been performed to study the thermodynamic and optical properties of TM ions in solids. The defect formation energies are calculated to analyze the effects of intrinsic defects and the site occupancies， valence states， distribution and concentration of TM ions in host. The local environment dependent luminescence is analyzed by calculating the excited-state energy levels of TM activators in various lattice environment. The configuration coordinate diagrams are constructed to analyze the excitation， relaxation and emission processes. Then， a theoretical scheme is proposed to regulate the site-occupancy， valence states and optical transitions of TM ions in solids

via

tuning the sintering atmosphere， coexistence conditions， and especially co-doping impurities. We select several typical systems to show the rationality and effectiveness of first-principles calculations， which include the mechanisms of residual infrared absorption in Ti∶Al

crystal and the method of mitigating or eliminating the infrared absorption， the site occupancies and optical transitions of Mn

，Mn

in typical spinel and garnet hosts， the site occupancies， valence states and optical transitions of Cr

3+/4+

ions in oxide compounds. The results show that first-principles calculations form effective approaches for elucidating the multi-site and multi-valence nature of TM ions in solids and predicting their optical transitions， which are beneficial for the rational design and optimization of related optical materials.

关键词

Keywords

references

LIU G C ， MOLOKEEV M S ， XIA Z G . Structural rigidity control toward Cr 3+ -based broadband near-infrared luminescence with enhanced thermal stability ［J］. Chem. Mater. ， 2022 ， 34 （ 3 ）： 1376 - 1384 . doi: 10.1021/acs.chemmater.1c04131 http://dx.doi.org/10.1021/acs.chemmater.1c04131

MAO Q N ， LAN B J ， WANG H ， et al . Mid-infrared luminesce of ZnS∶Cr 2+ -glass composite and fiber ［J］. J. Am. Ceram. Soc. ， 2020 ， 103 （ 2 ）： 993 - 998 . doi: 10.1111/jace.16826 http://dx.doi.org/10.1111/jace.16826

ZHOU Q ， DOLGOV L ， SRIVASTAVA A M ， et al . Mn 2+ and Mn 4+ red phosphors： synthesis， luminescence and applications in WLEDs. A review ［J］. J. Mater. Chem. C ， 2018 ， 6 （ 11 ）： 2652 - 2671 . doi: 10.1039/c8tc00251g http://dx.doi.org/10.1039/c8tc00251g

MARCINIAK L ， KNIEC K ， ELŻBIECIAK-PIECKA K ， et al . Luminescence thermometry with transition metal ions. A review ［J］. Coord. Chem. Rev. ， 2022 ， 469 ： 214671-1 - 32 . doi: 10.1016/j.ccr.2022.214671 http://dx.doi.org/10.1016/j.ccr.2022.214671

HE S S ， QIANG Q P ， LANG T C ， et al . Highly stable orange-red long-persistent luminescent CsCdCl 3 ∶Mn 2+ perovskite crystal ［J］. Angew. Chem. Int. Ed. ， 2022 ， 61 （ 48 ）： e202208937 . doi: 10.1002/anie.202208937 http://dx.doi.org/10.1002/anie.202208937

FENG X ， LIN L T ， DUAN R ， et al . Transition metal ion activated near-infrared luminescent materials ［J］. Prog. Mater. Sci. ， 2022 ， 129 ： 100973 . doi: 10.1016/j.pmatsci.2022.100973 http://dx.doi.org/10.1016/j.pmatsci.2022.100973

LIU G C ， XIA Z G . Modulation of thermally stable photoluminescence in Cr 3+ -based near-infrared phosphors ［J］. J. Phys. Chem. Lett. ， 2022 ， 13 （ 22 ）： 5001 - 5008 . doi: 10.1021/acs.jpclett.2c01143 http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpclett.2c01143

DANG P P ， WEI Y ， LIU D J ， et al . Recent advances in chromium-doped near-infrared luminescent materials： fundamentals， optimization strategies， and applications ［J］. Adv. Opt. Mater. ， 2023 ， 11 （ 3 ）： 2201739-1-27 . doi: 10.1002/adom.202201739 http://dx.doi.org/10.1002/adom.202201739

MIROV S ， FEDOROV V ， MOSKALEV I ， et al . Progress in Cr 2+ and Fe 2+ doped mid-IR laser materials ［J］. Laser Photonics Rev. ， 2010 ， 4 （ 1 ）： 21 - 41 . doi: 10.1002/lpor.200810076 http://dx.doi.org/10.1002/lpor.200810076

HUANG D Y ， OUYANG Q Y ， LIU B ， et al . Mn 2+ /Mn 4+ co-doped La M 1- x Al 11- y O 19 （ M = Mg， Zn） luminescent materials： electronic structure， energy transfer and optical thermometric properties ［J］. Dalton Trans. ， 2021 ， 50 （ 13 ）： 4651 - 4662 . doi: 10.1039/d1dt00153a http://dx.doi.org/10.1039/d1dt00153a

HUANG F ， CHEN D Q . Synthesis of Mn 2+ ∶Zn 2 SiO 4 -Eu 3+ ∶Gd 2 O 3 nanocomposites for highly sensitive optical thermometry through the synergistic luminescence from lanthanide-transition metal ions ［J］. J. Mater. Chem. C ， 2017 ， 5 （ 21 ）： 5176 - 5182 . doi: 10.1039/c7tc01500c http://dx.doi.org/10.1039/c7tc01500c

WADHWA A ， WANG C J ， WANG C H ， et al . Multi-phase glass-ceramics containing CaF 2 ∶Er 3+ and ZnAl 2 O 4 ∶Cr 3+ nanocrystals for optical temperature sensing ［J］. J. Am. Ceram. Soc. ， 2019 ， 102 （ 5 ）： 2472 - 2481 .

ADACHI S . Photoluminescence properties of Mn 4+ -activated oxide phosphors for use in white-LED applications： a review ［J］. J. Lumin. ， 2018 ， 202 ： 263 - 281 . doi: 10.1016/j.jlumin.2018.05.053 http://dx.doi.org/10.1016/j.jlumin.2018.05.053

ADACHI S . Photoluminescence spectra and modeling analyses of Mn 4+ -activated fluoride phosphors： a review ［J］. J. Lumin. ， 2018 ， 197 ： 119 - 130 . doi: 10.1016/j.jlumin.2018.01.016 http://dx.doi.org/10.1016/j.jlumin.2018.01.016

SU B B ， ZHOU G J ， HUANG J L ， et al . Mn 2+ -doped metal halide perovskites： structure， photoluminescence， and application ［J］. Laser Photonics Rev. ， 2021 ， 15 （ 1 ）： 2000334-1-29 . doi: 10.1002/lpor.202000334 http://dx.doi.org/10.1002/lpor.202000334

PAN Z W ， LU Y Y ， LIU F . Sunlight-activated long-persistent luminescence in the near-infrared from Cr 3+ -doped zinc gallogermanates ［J］. Nat. Mater. ， 2012 ， 11 （ 1 ）： 58 - 63 . doi: 10.1038/nmat3173 http://dx.doi.org/10.1038/nmat3173

YANG X ， CHEN W B ， WANG D S ， et al . Near-infrared photoluminescence and phosphorescence properties of Cr 3+ -doped garnet-type Y 3 Sc 2 Ga 3 O 12 ［J］. J. Lumin. ， 2020 ， 225 ： 117392-1 - 5 . doi: 10.1016/j.jlumin.2020.117392 http://dx.doi.org/10.1016/j.jlumin.2020.117392

RAJENDRAN V ， FANG M H ， HUANG W T ， et al . Chromium ion pair luminescence： a strategy in broadband near-infrared light-emitting diode design ［J］. J. Am. Chem. Soc. ， 2021 ， 143 （ 45 ）： 19058 - 19066 . doi: 10.1021/jacs.1c08334 http://dx.doi.org/10.1021/jacs.1c08334

ZOU X K ， ZHANG H R ， LI W ， et al . Ultra-Wide Vis-NIR Mg 2 Al 4 Si 5 O 18 ∶Eu 2+ ，Cr 3+ phosphor containing unusual NIR luminescence induced by Cr 3+ occupying tetrahedral coordination for hyperspectral imaging ［J］. Adv. Opt. Mater. ， 2022 ， 10 （ 19 ）： 2200882-1-8 . doi: 10.1002/adom.202200882 http://dx.doi.org/10.1002/adom.202200882

ZHAO F Y ， SONG Z ， LIU Q L . Advances in chromium-activated phosphors for near-infrared light sources ［J］. Laser Photonics Rev. ， 2022 ， 16 （ 11 ）： 2200380 . doi: 10.1002/lpor.202200380 http://dx.doi.org/10.1002/lpor.202200380

CZAJA M ， LISIECKI R ， CHROBAK A ， et al . The absorption- and luminescence spectra of Mn 3+ in beryl and vesuvianite ［J］. Phys. Chem. Miner. ， 2018 ， 45 （ 5 ）： 475 - 488 . doi: 10.1007/s00269-017-0934-x http://dx.doi.org/10.1007/s00269-017-0934-x

KÜCK S ， HARTUNG S ， HURLING S ， et al . Optical transitions in Mn 3+ -doped garnets ［J］. Phys. Rev. B ， 1998 ， 57 （ 4 ）： 2203 - 2216 . doi: 10.1103/physrevb.57.2203 http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.57.2203

ZHANG X W ， LI Y ， HU Z L ， et al . A general strategy for controllable synthesis of Ba 3 （ M O 4 ） 2 ∶Mn 5+ （ M = V， P） nanoparticles ［J］. RSC Adv. ， 2017 ， 7 （ 17 ）： 10564 - 10569 . doi: 10.1039/c6ra28225c http://dx.doi.org/10.1039/c6ra28225c

BRUNOLD T C ， GÜDEL H U . Absorption and luminescence spectroscopy of manganese-doped BaSO 4 crystals ［J］. Chem. Phys. Lett. ， 1996 ， 257 （ 1-2 ）： 123 - 129 . doi: 10.1016/0009-2614(96)00507-6 http://dx.doi.org/10.1016/0009-2614(96)00507-6

CHENG J G ， LI P L ， WANG Z J ， et al . Color selective manipulation in Li 2 ZnGe 3 O 8 ∶Mn 2+ by multiple-cation substitution on different crystal-sites ［J］. Dalton Trans. ， 2018 ， 47 （ 12 ）： 4293 - 4300 . doi: 10.1039/c7dt04552b http://dx.doi.org/10.1039/c7dt04552b

CHEN H M ， WU L W ， BO F ， et al . Coexistence of self-reduction from Mn 4+ to Mn 2+ and elastico-mechanoluminescence in diphase KZn（PO 3 ） 3 ∶Mn 2+ ［J］. J. Mater. Chem. C ， 2019 ， 7 （ 23 ）： 7096 - 7103 . doi: 10.1039/c9tc01062a http://dx.doi.org/10.1039/c9tc01062a

CHEN H M ， LEI Y ， LI J J ， et al . Intense luminescence and good thermal stability in a Mn 2+ -activated Mg-based phosphor with self-reduction ［J］. Inorg. Chem. ， 2022 ， 61 （ 14 ）： 5495 - 5501 . doi: 10.1021/acs.inorgchem.1c03741 http://dx.doi.org/10.1021/acs.inorgchem.1c03741

张盼，白宇星，武莉，等 . 晶格中的缺陷与材料发光性质关系研究进展［J］. 发光学报， 2022 ， 43 （ 9 ）： 1361 - 1379 . doi: 10.37188/CJL.20220005 http://dx.doi.org/10.37188/CJL.20220005

ZHANG P ， BAI Y X ， WU L ， et al . Advances in relationship between lattice defects and luminescent characteristics ［J］. Chin. J. Lumin. ， 2022 ， 43 （ 9 ）： 1361 - 1379 . （in Chinese） . doi: 10.37188/CJL.20220005 http://dx.doi.org/10.37188/CJL.20220005

DONG L P ， ZHANG L ， JIA Y C ， et al . ZnGa 2– y Al y O 4 ∶Mn 2+ ，Mn 4+ thermochromic phosphors： valence state control and optical temperature sensing ［J］. Inorg. Chem. ， 2020 ， 59 （ 21 ）： 15969 - 15976 . doi: 10.1021/acs.inorgchem.0c02474 http://dx.doi.org/10.1021/acs.inorgchem.0c02474

LIU M Z ， KAI H Y ， HUANG A J ， et al . First-principles and experimental study of trace impurities and near-infrared emission in alkaline earth hexaaluminates ［J］. Chem. Mater. ， 2023 ， 35 （ 7 ）： 2999 - 3007 . doi: 10.1021/acs.chemmater.3c00305 http://dx.doi.org/10.1021/acs.chemmater.3c00305

屈冰雁，王雷 . 3d过渡金属离子在无机化合物中的基态能级及变价趋势理论探索［J］. 发光学报， 2022 ， 43 （ 12 ）： 1815 - 1822 . doi: 10.37188/CJL.20220222 http://dx.doi.org/10.37188/CJL.20220222

QU B Y ， WANG L . Theoretical research on ground state of 3d transition metal ions in inorganic compounds and their charge transition tendencies ［J］. Chin. J. Lumin. ， 2022 ， 43 （ 12 ）： 1815 - 1822 . （in Chinese） . doi: 10.37188/CJL.20220222 http://dx.doi.org/10.37188/CJL.20220222

VARLEY J B ， JANOTTI A ， FRANCHINI C ， et al . Role of self-trapping in luminescence and p-type conductivity of wide-band-gap oxides ［J］. Phys. Rev. B ， 2012 ， 85 （ 8 ）： 081109-1-4 . doi: 10.1103/physrevb.85.081109 http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.85.081109

WESTON L ， WICKRAMARATNE D ， MACKOIT M ， et al . Native point defects and impurities in hexagonal boron nitride ［J］. Phys. Rev. B ， 2018 ， 97 （ 21 ）： 214104-1-13 . doi: 10.1103/physrevb.97.214104 http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.97.214104

IVÁDY V ， BARCZA G ， THIERING G ， et al . Ab initio theory of the negatively charged boron vacancy qubit in hexagonal boron nitride ［J］. npj Comput. Mater. ， 2020 ， 6 （ 1 ）： 41-1-6 . doi: 10.1038/s41524-020-0305-x http://dx.doi.org/10.1038/s41524-020-0305-x

KUMAR P ， CREASON T D ， FATTAL H ， et al . Composition-dependent photoluminescence properties and anti-counterfeiting applications of A 2 Ag X 3 （ A = Rb， Cs； X = Cl， Br， I）［J］. Adv. Funct. Mater. ， 2021 ， 31 （ 48 ）： 2104941-1-9 . doi: 10.1002/adfm.202104941 http://dx.doi.org/10.1002/adfm.202104941

JOOS J J ， VAN DER HEGGEN D ， MARTIN L I D J ， et al . Broadband infrared LEDs based on europium-to-terbium charge transfer luminescence ［J］. Nat. Commun. ， 2020 ， 11 （ 1 ）： 3647-1-11 . doi: 10.1038/s41467-020-17469-x http://dx.doi.org/10.1038/s41467-020-17469-x

ATANASOV M ， ANDREICI EFTIMIE E L ， AVRAM N M ， et al . First-principles study of optical absorption energies， ligand field and spin-hamiltonian parameters of Cr 3+ ions in emeralds ［J］. Inorg. Chem. ， 2022 ， 61 （ 1 ）： 178 - 192 . doi: 10.1021/acs.inorgchem.1c02650 http://dx.doi.org/10.1021/acs.inorgchem.1c02650

DANIEL C ， GONZÁLEZ L ， NEESE F . Quantum theory： the challenge of transition metal complexes ［J］. Phys. Chem. Chem. Phys. ， 2021 ， 23 （ 4 ）： 2533 - 2534 . doi: 10.1039/d0cp90278k http://dx.doi.org/10.1039/d0cp90278k

FREYSOLDT C ， GRABOWSKI B ， HICKEL T ， et al . First-principles calculations for point defects in solids ［J］. Rev. Mod. Phys. ， 2014 ， 86 （ 1 ）： 253 - 305 . doi: 10.1103/revmodphys.86.253 http://dx.doi.org/10.1103/revmodphys.86.253

MAKOV G ， PAYNE M C . Periodic boundary conditions in ab initio calculations ［J］. Phys. Rev. B ， 1995 ， 51 （ 7 ）： 4014 - 4022 . doi: 10.1103/physrevb.51.4014 http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.51.4014

LANY S ， ZUNGER A . Assessment of correction methods for the band-gap problem and for finite-size effects in supercell defect calculations： case studies for ZnO and GaAs ［J］. Phys. Rev. B ， 2008 ， 78 （ 23 ）： 235104-1-25 . doi: 10.1103/physrevb.78.235104 http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.78.235104

FREYSOLDT C ， NEUGEBAUER J ， VAN DE WALLE C G . Fully ab initio finite-size corrections for charged-defect supercell calculations ［J］. Phys. Rev. Lett. ， 2009 ， 102 （ 1 ）： 016402-1-4 . doi: 10.1103/physrevlett.102.016402 http://dx.doi.org/10.1103/physrevlett.102.016402

CHAGAS DA SILVA M ， LORKE M ， ARADI B ， et al . Self-consistent potential correction for charged periodic systems ［J］. Phys. Rev. Lett. ， 2021 ， 126 （ 7 ）： 076401-1-6 . doi: 10.1103/physrevlett.126.076401 http://dx.doi.org/10.1103/physrevlett.126.076401

DURRANT T R ， MURPHY S T ， WATKINS M B ， et al . Relation between image charge and potential alignment corrections for charged defects in periodic boundary conditions ［J］. J. Chem. Phys. ， 2018 ， 149 （ 2 ）： 024103-1-16 . doi: 10.1063/1.5029818 http://dx.doi.org/10.1063/1.5029818

CHEN Q L ， LIU M Z ， SHANG L B ， et al . Elucidating the multisite and multivalence nature of Mn ions in solids and predicting their optical transition properties： a case study on a series of garnet hosts ［J］. Inorg. Chem. ， 2022 ， 61 （ 46 ）： 18690 - 18700 . doi: 10.1021/acs.inorgchem.2c03175 http://dx.doi.org/10.1021/acs.inorgchem.2c03175

CHEN Q L ， SHANG L B ， XU H M ， et al . Multiple-valence and visible to near-infrared photoluminescence of manganese in ZnGa 2 O 4 ： a first-principles study ［J］. J. Phys. Chem. C ， 2021 ， 125 （ 39 ）： 21780 - 21790 . doi: 10.1021/acs.jpcc.1c07420 http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpcc.1c07420

VAN DE WALLE C G ， NEUGEBAUER J . First-principles calculations for defects and impurities： applications to Ⅲ- nitrides ［J］. J. Appl. Phys. ， 2004 ， 95 （ 8 ）： 3851 - 3879 . doi: 10.1063/1.1682673 http://dx.doi.org/10.1063/1.1682673

WANG L ， MAXISCH T ， CEDER G . Oxidation energies of transition metal oxides within the GGA + U framework ［J］. Phys. Rev. B ， 2006 ， 73 （ 19 ）： 195107-1-6 . doi: 10.1103/physrevb.73.195107 http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.73.195107

JIA Y C ， PONCÉ S ， MIGLIO A ， et al . Assessment of first-principles and semiempirical methodologies for absorption and emission energies of Ce 3+ -doped luminescent materials ［J］. Adv. Opt. Mater. ， 2017 ， 5 （ 7 ）： 1600997 . doi: 10.1002/adom.201600997 http://dx.doi.org/10.1002/adom.201600997

CHEN Q L ， SHANG L B ， XU H M ， et al . Rationalizing the structural changes and spectra of manganese and their temperature dependence in a series of garnets with first-principles calculations ［J］. Phys. Rev. B ， 2022 ， 105 （ 3 ）： 035158 . doi: 10.1103/physrevb.105.035158 http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.105.035158

CHEN Q L ， SHANG L B ， MA C G ， et al . Angular Jahn⁃Teller effect and photoluminescence of the tetrahedral coordinated Mn 2+ activators in solids：a first-principles study ［J］. Inorg. Chem. ， 2022 ， 61 （ 34 ）： 13471 - 13480 . doi: 10.1021/acs.inorgchem.2c01964 http://dx.doi.org/10.1021/acs.inorgchem.2c01964

WANG Y P ， ZHANG H S ， LIN L T ， et al . Role of intrinsic defects on the persistent luminescence of pristine and Mn doped ZnGa 2 O 4 ［J］. J. Appl. Phys. ， 2019 ， 125 （ 9 ）： 095701-1-8 . doi: 10.1063/1.5078773 http://dx.doi.org/10.1063/1.5078773

PARROT R ， BOULANGER D ， DIARRA M N ， et al . Model for the electronic and vibronic structure of 4 T 1 levels of d 5 ions coupled to E vibrational modes： case of the fluorescent level of Mn 2+ in ZnS ［J］. Phys. Rev. B ， 1996 ， 54 （ 3 ）： 1662 - 1672 .

SONG E H ， JIANG X X ， ZHOU Y Y ， et al . Heavy Mn 2+ doped MgAl 2 O 4 phosphor for high-efficient near-infrared light-emitting diode and the night-vision application ［J］. Adv. Opt. Mater. ， 2019 ， 7 （ 24 ）： 1901105-1-9 . doi: 10.1002/adom.201901105 http://dx.doi.org/10.1002/adom.201901105

MENON S G ， KUNTI A K ， KULKARNI S D ， et al . A new microwave approach for the synthesis of green emitting Mn 2+ -doped ZnAl 2 O 4 ： a detailed study on its structural and optical properties ［J］. J. Lumin. ， 2020 ， 226 ： 117482-1 - 10 . doi: 10.1016/j.jlumin.2020.117482 http://dx.doi.org/10.1016/j.jlumin.2020.117482

WANG X J ， XIE R J ， DIERRE B ， et al . A novel and high brightness AlN∶Mn 2+ red phosphor for field emission displays ［J］. Dalton Trans. ， 2014 ， 43 （ 16 ）： 6120 - 6127 . doi: 10.1039/c3dt53532k http://dx.doi.org/10.1039/c3dt53532k

SONG E H ， WANG J L ， YU D C ， et al . Anomalous tunable visible to near infrared emission in the Mn 2+ -doped spinel MgGa 2 O 4 and room-temperature upconversion in the Mn 2+ and Yb 3+ -codoped spinel ［J］. J. Mater. Chem. C ， 2014 ， 2 （ 41 ）： 8811 - 8816 . doi: 10.1039/c4tc01681e http://dx.doi.org/10.1039/c4tc01681e

LANGER D W ， RICHTER H J . Zero-phonon lines and phonon coupling of ZnSe∶Mn and CdS∶Mn ［J］. Phys. Rev. ， 1966 ， 146 （ 2 ）： 554 - 557 . doi: 10.1103/physrev.146.554 http://dx.doi.org/10.1103/physrev.146.554

SALEK G ， DEVOTI A ， LATASTE E ， et al . Optical properties versus temperature of Cr-doped γ- and α-Al 2 O 3 ： irreversible thermal sensors application ［J］. J. Lumin. ， 2016 ， 179 ： 189 - 196 . doi: 10.1016/j.jlumin.2016.07.004 http://dx.doi.org/10.1016/j.jlumin.2016.07.004

JIA W Y ， LIU H M ， JAFFE S ， et al . Spectroscopy of Cr 3+ and Cr 4+ ions in forsterite ［J］. Phys. Rev. B ， 1991 ， 43 （ 7 ）： 5234 - 5242 . doi: 10.1103/physrevb.43.5234 http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.43.5234

KATAYAMA Y . Red to near-infrared persistent luminescence in transition metal ion activated phosphors ［J］. J. Ceram. Soc. Japan ， 2017 ， 125 （ 11 ）： 793 - 798 . doi: 10.2109/jcersj2.17109 http://dx.doi.org/10.2109/jcersj2.17109

CASTELLI F ， FORSTER L S . Fluorescence （ 4 T 2 → 4 A 2 ） and phosphorescence （ 2 E → 4 A 2 ） in MgO∶Cr 3+ ［J］. Phys. Rev. B ， 1975 ， 11 （ 2 ）： 920 - 928 .

SHANG L B ， LIU M Z ， DUAN C K . Does Cr 3+ occupy tetrahedral sites and luminesce in oxides？ A first-principles exploration ［J］. J. Phys. Chem. Lett. ， 2022 ， 13 （ 45 ）： 10635 - 10641 . doi: 10.1021/acs.jpclett.2c02835 http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpclett.2c02835

QU B Y ， ZHOU R L ， WANG L ， et al . How to predict the location of the defect levels induced by 3 d transition metal ions at octahedral sites of aluminate phosphors ［J］. J. Mater. Chem. C ， 2019 ， 7 （ 1 ）： 95 - 103 . doi: 10.1039/c8tc05401k http://dx.doi.org/10.1039/c8tc05401k

QU B Y ， LIU M Z ， ZHOU R L ， et al . The predictability of the ground state of 3d n transition metal ion as luminescent centers in the tetrahedral sites in inorganic compounds ［J］. J. Lumin. ， 2022 ， 247 ： 118919-1 - 5 . doi: 10.1016/j.jlumin.2022.118919 http://dx.doi.org/10.1016/j.jlumin.2022.118919

JING W G ， LIU M Z ， WEI X T ， et al . Defect levels of 3 d n transition-metal series in wide-gap oxide and fluoride insulators： a first-principles study ［J］. Phys. Rev. B ， 2022 ， 106 ： 075110 . doi: 10.1103/physrevb.106.075110 http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.106.075110

ULIVI L ， BINI R ， LOUBEYRE P ， et al . Spectroscopic studies of the Ar（H 2 ） 2 compound crystal at high pressure and low temperatures ［J］. Phys. Rev. B ， 1999 ， 60 （ 9 ）： 6502 - 6512 . doi: 10.1103/physrevb.60.6502 http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.60.6502

MEYN J P ， DANGER T ， PETERMANN K ， et al . Spectroscopic characterization of V 4+ -doped Al 2 O 3 and YAlO 3 ［J］. J. Lumin. ， 1993 ， 55 （ 2 ）： 55 - 62 . doi: 10.1016/0022-2313(93)90009-c http://dx.doi.org/10.1016/0022-2313(93)90009-c

TIPPINS H H . Charge-transfer spectra of transition-metal ions in corundum ［J］. Phys. Rev. B ， 1970 ， 1 （ 1 ）： 126 - 135 . doi: 10.1103/physrevb.1.126 http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.1.126

WONG W C ， MCCLURE D S ， BASUN S A ， et al . Charge-exchange processes in titanium-doped sapphire crystals. I. Charge-exchange energies and titanium-bound excitons ［J］. Phys. Rev. B ， 1995 ， 51 （ 9 ）： 5682 - 5692 . doi: 10.1103/physrevb.51.5682 http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.51.5682

ZORENKO Y ， ZORENKO T ， VOZNYAK T ， et al . Comparative study of the luminescence of Al 2 O 3 ∶Ti and Al 2 O 3 crystals under VUV synchrotron radiation excitation ［J］. Opt. Mater. ， 2013 ， 35 （ 12 ）： 2053 - 2055 . doi: 10.1016/j.optmat.2012.10.044 http://dx.doi.org/10.1016/j.optmat.2012.10.044

PUSTOVAROV V A ， KORTOV V S ， ZVONAREV S V ， et al . Luminescent vacuum ultraviolet spectroscopy of Cr 3+ ions in nanostructured aluminum oxide ［J］. J. Lumin. ， 2012 ， 132 （ 11 ）： 2868 - 2873 . doi: 10.1016/j.jlumin.2012.06.001 http://dx.doi.org/10.1016/j.jlumin.2012.06.001

ZUNGER A ， MALYI O I . Understanding doping of quantum materials ［J］. Chem. Rev. ， 2021 ， 121 （ 5 ）： 3031 - 3060 . doi: 10.1021/acs.chemrev.0c00608 http://dx.doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00608

JING W G ， LIU M Z ， WEN J ， et al . First-principles study of Ti-doped sapphire.Ⅰ. Formation and optical transition properties of titanium pairs ［J］. Phys. Rev. B ， 2021 ， 104 （ 16 ）： 165103-1-13 . doi: 10.1103/physrevb.104.165103 http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.104.165103

JING W G ， LIU M Z ， WEN J ， et al . First-principles study of Ti-doped sapphire.Ⅱ. Formation and reduction of complex defects ［J］. Phys. Rev. B ， 2021 ， 104 （ 16 ）： 165104-1-13 . doi: 10.1103/physrevb.104.165104 http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.104.165104

DONG L P ， ZHANG L ， JIA Y C ， et al . Site occupation and luminescence of novel orange-red Ca 3 M 2 Ge 3 O 12 ∶Mn 2+ ，Mn 4+ （ M = Al， Ga） phosphors ［J］. ACS Sustainable Chem. Eng. ， 2020 ， 8 （ 8 ）： 3357 - 3366 . doi: 10.1021/acssuschemeng.9b07281 http://dx.doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b07281

CHEN Q ， LIU M ， MA C ， et al . Mechanistic insights on regulating the site occupancy， valence states and optical transitions of Mn ions in yttrium-aluminum garnet via codoping ［J］. Phys. Chem. Chem. Phys. ， 2023 ， doi: 10.1039/D3CP01548C http://dx.doi.org/10.1039/D3CP01548C .

XU Z H ， LIN H ， HONG R J ， et al . Yb 3+ /Mn 2+ co-doped Y 3 Al 5 O 12 phosphors for optical thermometric application ［J］. Opt. Mater. ， 2022 ， 124： 11 1949-1-8 . doi: 10.1016/j.optmat.2021.111949 http://dx.doi.org/10.1016/j.optmat.2021.111949

CHEN D Q ， ZHOU Y ， XU W ， et al . Enhanced luminescence of Mn 4+ ∶Y 3 Al 5 O 12 red phosphor via impurity doping ［J］. J. Mater. Chem. C ， 2016 ， 4 （ 8 ）： 1704 - 1712 . doi: 10.1039/c5tc04133c http://dx.doi.org/10.1039/c5tc04133c

ZHOU L ， SHEN C Y ， SHEN L L ， et al . Enhanced luminescence performances of Mn 4+ ∶Y 3 Al 5 O 12 red phosphor by ions of Rn 2+ （Be 2+ ， Mg 2+ ， Sr 2+ ， Ba 2+ ）［J］. J. Alloys Compd. ， 2018 ， 769 ： 686 - 693 . doi: 10.1016/j.jallcom.2018.08.055 http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.08.055

LONG J Q ， WANG Y Z ， MA R ， et al . Enhanced luminescence performances of tunable Lu 3- x Y x Al 5 O 12 ∶Mn 4+ red phosphor by ions of Rn + （Li + ， Na + ， Ca 2+ ， Mg 2+ ， Sr 2+ ， Sc 3+ ）［J］. Inorg. Chem. ， 2017 ， 56 （ 6 ）： 3269 - 3275 . doi: 10.1021/acs.inorgchem.6b02647 http://dx.doi.org/10.1021/acs.inorgchem.6b02647

SHI Y R ， WANG Y H ， WEN Y ， et al . Tunable luminescence Y 3 Al 5 O 12 ∶0.06Ce 3+ ， x Mn 2+ phosphors with different charge compensators for warm white light emitting diodes ［J］. Opt. Express ， 2012 ， 20 （ 19 ）： 21656 - 21664 . doi: 10.1364/oe.20.021656 http://dx.doi.org/10.1364/oe.20.021656

JIA Y C ， PONCÉ S ， MIGLIO A ， et al . Beyond the one-dimensional configuration coordinate model of photoluminescence ［J］. Phys. Rev. B ， 2019 ， 100 （ 15 ）： 155109-1-11 . doi: 10.1103/physrevb.100.155109 http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.100.155109

JIA Y C ， PONCÉ S ， MIGLIO A ， et al . Design rule for the emission linewidth of Eu 2+ -activated phosphors ［J］. J. Lumin. ， 2020 ， 224 ： 117258-1 - 5 . doi: 10.1016/j.jlumin.2020.117258 http://dx.doi.org/10.1016/j.jlumin.2020.117258

JIN Y ， GOVONI M ， WOLFOWICZ G ， et al . Photoluminescence spectra of point defects in semiconductors： validation of first-principles calculations ［J］. Phys. Rev. Mater. ， 2021 ， 5 （ 8 ）： 084603 . doi: 10.1103/physrevmaterials.5.084603 http://dx.doi.org/10.1103/physrevmaterials.5.084603

RAZINKOVAS L ， DOHERTY M W ， MANSON N B ， et al . Vibrational and vibronic structure of isolated point defects： the nitrogen-vacancy center in diamond ［J］. Phys. Rev. B ， 2021 ， 104 （ 4 ）： 045303-1-19 . doi: 10.1103/physrevb.104.045303 http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.104.045303

MUECHLER L ， BADRTDINOV D I ， HAMPEL A ， et al . Quantum embedding methods for correlated excited states of point defects： case studies and challenges ［J］. Phys. Rev. B ， 2022 ， 105 （ 23 ）： 235104-1-19 . doi: 10.1103/physrevb.105.235104 http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.105.235104

Views

896

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Effect of Crystal and Band/Electronic Structures on Luminescence Property of Ce³⁺ Doped Y-Si-O-N Luminescent Materials

Optical Properties of Defects in GaN Based LED Irradiated by Electron

Related Author

YIN Min

DUAN Changkui

WANG Le

MENG Yao

HUANG Min-hang

ZHANG Hong

ZHAI Yue

ZHU Qiang-qiang

Related Institution

Department of Physics，University of Science and Technology of China

College of Optics and Electronic Science and Technology， China Jiliang University

School of Electronics and Information Engineering, Tianjin Polytechnic University

School of Electrical Engineering and Automation, Tianjin Polytechnic University

Address：No.3888 Dong Nanhu Road, Changchun, Jilin, China Postal code：130033
Tel：0431-86176862 Email：fgxbt@126.com
Technical support is provided by Beijing Founder electronics co., LTD 吉ICP备11002662号-17 京公网安备11010802024621
It is recommended to read the content of this site in Chrome&IE9+. Please switch to extreme mode in browser 360.
Cookies We use cookies to help provide and enhance our service and tailor content. By continuing, you agree to the use of cookies.

⁰