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Bi3+掺杂体系的发光机理：第一性原理研究
特邀报告 | 更新时间：2023-02-13
|
Bi3+掺杂体系的发光机理：第一性原理研究 增强出版
- Luminescence Mechanism of Bi3+ Doped Materials: First Principles Studies
- 发光学报 2022年 43卷 第9期 (2022)
- 作者机构：重庆邮电大学 光电工程学院,重庆,400065;中国科学技术大学 物理学院,安徽,合肥,230026
- 作者简介：
- 基金信息：国家自然科学基金(52161135110;11974338);国家科技部中国⁃波兰政府间科技合作交流项目（2020［15］/10）资助
- DOI：10.37188/CJL.20220245 中图分类号： O482.31
纸质出版日期：2022-09-05，
收稿日期：2022-06-17，
修回日期：2022-07-05，
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引用本文
楼碧波,尹民.Bi3+掺杂体系的发光机理：第一性原理研究[J].发光学报,2022,43(09):1446-1458.
LOU Bi-bo,YIN Min.Luminescence Mechanism of Bi3+ Doped Materials: First Principles Studies[J].Chinese Journal of Luminescence,2022,43(09):1446-1458.
楼碧波,尹民.Bi3+掺杂体系的发光机理：第一性原理研究[J].发光学报,2022,43(09):1446-1458. DOI： 10.37188/CJL.20220245.
LOU Bi-bo,YIN Min.Luminescence Mechanism of Bi3+ Doped Materials: First Principles Studies[J].Chinese Journal of Luminescence,2022,43(09):1446-1458. DOI： 10.37188/CJL.20220245.
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"data": "的激发光谱具有多个峰值，光谱指认存在困难，同时Boutinaud的经验公式分析、Dorenbos的能级结构模型计算以及实验光谱的直接指认三者之间也存在部分不自洽。上述思考引发了我们进一步从第一性原理角度对Bi"
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"data": "掺杂发光材料的光谱特性开展非经验的理论理解，以支撑相关的实验研究，同时促进和实现对新型Bi"
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{
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"R25"
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"data": "离子光谱学特征的实验指认出发，在能级结构图像和位形坐标图的基础上，首先对Bi"
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{
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"data": "2"
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"data": [
{
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"data": "1"
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"data": "加束缚空穴、金属⁃金属电荷迁移态6s"
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"data": "⁃Bi"
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"data": [
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"data": "离子对）间的光跃迁过程进行了系统总结。其次，我们针对上述每种跃迁类型，逐一介绍相关的理论计算方案。最后，我们以若干代表性例子作为依托，充分展示了有关理论和计算对实验现象的分析和指引作用。此外，从发光性能预测的角度，我们也分析了Bi"
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"data": "阳离子与基质阳离子之间的电荷迁移，常被记作金属‐金属电荷迁移态跃迁（MMCT）。由于类激子态的激发三重态中最低能级与亚稳态能级间能隙极小（~ 1 meV）"
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"data": "，因而发生寿命变化的温度极低。其次，跃迁过程涉及电荷迁移，发光中心的有效电荷产生较大变化，因而其配体环境的结构弛豫通常比A带发射更大，表现为更大的Stokes位移以及宽包发射的特性。同时，MMCT与CT跃迁涉及组成带边成分的基质离子，其跃迁能量极容易受基质成分改变的影响。此外，在类激子态中，有一类由于离子团聚或是能量传递实现的Bi"
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"data": "离子的A带，且发射谱中经常伴随有A带发射。"
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"data": "离子跃迁进行准确描述，并给出清晰的激发、弛豫和发射过程。根据 Franck-Condon 原理，激发为基态平衡几何构型下体系从初态到末态的跃迁，实验通常可以观察到若干个激发峰，对应于"
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"data": "离子扮演作电子陷阱的陷阱深度，而与价带顶之间的能量差则可用于近似Bi"
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"data": "）的零声子线。类似地，通过"
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"data": "激发态的竖直发射，红虚线和紫虚线分别表示源自MMCT态和CT态的竖直发射（高激发态通常不提供发射，记作虚线）；（b）电荷转变能级图：黑色双向实线为各类跃迁（A带、MMCT、CT和IVCT）的零声子线。"
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"data": "态在带内的位置。"
}
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{
"lang": "en",
"label": [
{
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"data": "Fig.1"
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"title": [
{
"name": "text",
"data": "（a）The configuration coordinate diagram：the black and blue lines indicate the absorption and the emission transitions， and the red and purple dashed lines indicate the fictitious emission transitions from the MMCT and CT states， respectively. （b）The charge transition level diagram：the black bidirectional solid lines are zero phonon lines of various transitions（A band， MMCT， CT and IVCT）， "
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"data": "） can be also regarded， correspondingly， as the locations of "
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}
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}
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"data": "离子的6s轨道为发光中心与配体之间杂化形成的反键轨道，6s成分相对小，且通常靠近价带顶。同时，Bi"
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"data": "中影响电子云重排效应的因素进行初步预测。在一系列氧化物钙钛矿体系中，空穴陷阱深度与近邻配体的键长呈线性负相关，见"
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"data": "空穴陷阱的性质与氧化物体系存在显著差异（数据未展示），有待进一步探索。结合该图像可知，在LaAlO"
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"data": "∶Bi"
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"data": "格位具有相对较为宽松的局域环境，6s轨道难以形成稳定的空穴陷阱，使得这两个体系中发光呈现为CT类型的发射。另一方面，6p轨道则由Bi"
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"data": "离子主导，与导带底之间的距离因基质不同会存在较大差异，明确相应的能隙需要诉诸于第一性原理计算。"
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"data": "离子的能级结构和跃迁过程可以通过实验上不同基质的选择进行调节，因而不同材料中的Bi"
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"data": "发光性质存在较大差异，发光波长可以涵盖紫外到近红外区域。通过理论计算分析Bi"
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"data": "掺杂材料的发光机理能够支撑相应的实验研究，促进和实现对新型Bi"
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"data": "掺杂发光材料的设计和性能改进。基于密度泛函方法的第一性原理计算可以有效地实现不同基质材料中多价态Bi离子的基态和激发态几何与电子结构性质的计算以及相应发光动力学过程的模拟，进而解决Bi"
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"data": "掺杂发光材料发射的跃迁指认问题。此外，发光中心局域结构、基质带隙、缺陷能级等与Bi"
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"data": "离子发光性质之间的联系也可以被简单预测。"
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"data": "当前的第一性原理计算研究已经可以处理常规的Bi"
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{
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"name": "text",
"data": "离子掺杂发光材料，其计算的跃迁能与实验测量结果的符合度较好，同时也初步建立了发光性质随基质带隙大小、局域结构环境、缺陷能级等变化的规律。然而，仍有许多与Bi"
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{
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{
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"data": "离子发光相关的科学问题有待解决：（1）Bi"
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"data": [
{
"name": "text",
"data": "3+"
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},
{
"name": "text",
"data": "掺杂体系的长余辉过程：长余辉材料的发光中心通过俘获储能缺陷释放的载流子（电子或空穴），可以在移除激发光源后仍旧提供长时间的发光。固体中的Bi"
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"data": "离子既可以作为储能陷阱，也可以作为发光中心。当Bi"
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]
},
{
"name": "text",
"data": "离子作为发光中心时，其长余辉发光可以通过俘获电子、俘获空穴或俘获电子-空穴对三种方式实现，而完全理解这样丰富的长余辉发光过程则需要理论计算的协同。此外，对于源自Bi"
},
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}
]
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{
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"data": "离子对激发态或复合发光中心的长余辉发光，其发光过程则更加复杂，发光机理的揭示更需要理论计算的帮助。 （2）Bi"
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"data": "离子的反常红移发射:Bi"
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{
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"data": "离子掺杂体系通常为可见光发射，然而，在一些材料中可以出现明显红移的发光，例如"
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"data": "∶Bi"
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{
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"name": "text",
"data": "=Y, Lu, Gd）则存在两套激发发射光谱，且其中一套光谱的Stokes位移异常偏大。该反常红移的发射有电荷迁移态跃迁或配位场影响下的A带发射两种解释。通常认为固体中Bi"
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"data": "离子的能级分裂主要受自旋轨道耦合影响，交换作用相对较弱，同时可以忽略配位场的影响。然而，当前的计算方案尚且缺乏量化分析配位场的能力，Ning等"
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"data": "（"
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{
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{
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"data": " = Li, Na）的能级分裂，有望进一步发展计算方案并澄清"
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{
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{
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"data": "∶Bi"
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"data": "体系的发光机理。 （3）Bi"
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"data": "离子团聚机理：在许多体系中实验验证了Bi"
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"data": "离子对激发态及与其相关的一些性质，但是大多数密度泛函的形成能计算并没有考虑温度效应，这导致在许多具有Bi"
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{
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"data": "离子对发射的体系中，其计算结果通常没有展现出团聚的倾向，从而并不能从几何结构层面支持Bi"
},
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{
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"data": "离子对的形成。特别是在GdAlO"
},
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"data": "∶Bi"
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"data": "能量传递过程进行了离子对发光机理的解释，但同样无法完全排除GdAlO"
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"data": "体系相较于YAlO"
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"data": "离子团聚机理，在几何结构的理论研究中，考虑形成焓的温度依赖和形成熵的贡献将是我们不得不面对的难点与挑战。"
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发光学报 | Bi³⁺掺杂体系的发光机理：第一性原理研究
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厦门理工学院材料科学与工程学院 福建省功能材料及应用重点实验室
厦门理工学院 光电与通信工程学院
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长春理工大学 高功率半导体国家重点实验室
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