Eu2+掺杂<italic style="font-style: italic">A</italic>2CaPO4F（<italic style="font-style: italic">A</italic>=K，Rb）格位占据和发光性质的第一性原理研究

乔政; 马健; 营逍; 宁利新

doi:10.37188/CJL.20220148

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Eu²⁺掺杂A₂CaPO₄F（A=K，Rb）格位占据和发光性质的第一性原理研究

特邀报告 | 更新时间：2023-02-13

- Eu²⁺掺杂A₂CaPO₄F（A=K，Rb）格位占据和发光性质的第一性原理研究
- First-principles on Site Occupation and Luminescence Properties of Eu²⁺-doped A₂CaPO₄F（A = K， Rb）
- 发光学报 2022年43卷第9期页码：1340-1349
- 作者机构：
  
  安徽师范大学物理与电子信息学院，安徽芜湖　241000
- 作者简介：
  
  [ "乔政（1989-），男，安徽蚌埠人，博士研究生，2015年于安徽师范大学获得硕士学位，主要从事发光材料相关的理论计算研究。 E-mail： 1931010037@ahnu.edu.cn" ]
  [ "宁利新（1974-），男，安徽黄山人，博士，教授，博士生导师，2003年于中国科学技术大学获得博士学位，主要从事稀土发光机理、计算光谱学及固体发光理论研究。 E-mail： ninglx@mail.ahnu.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金(11974022)
- DOI：10.37188/CJL.20220148
  中图分类号： O482.31
- 纸质出版日期：2022-09-05，
  
  收稿日期：2022-04-20，
  
  修回日期：2022-04-29，
- 稿件说明：
移动端阅览
乔政,马健,营逍等.Eu²⁺掺杂A₂CaPO₄F（A=K，Rb）格位占据和发光性质的第一性原理研究[J].发光学报,2022,43(09):1340-1349.

QIAO Zheng,MA Jian,YING Xiao,et al.First-principles on Site Occupation and Luminescence Properties of Eu²⁺-doped A₂CaPO₄F（A = K， Rb）[J].Chinese Journal of Luminescence,2022,43(09):1340-1349.
乔政,马健,营逍等.Eu²⁺掺杂A₂CaPO₄F（A=K，Rb）格位占据和发光性质的第一性原理研究[J].发光学报,2022,43(09):1340-1349. DOI： 10.37188/CJL.20220148.

QIAO Zheng,MA Jian,YING Xiao,et al.First-principles on Site Occupation and Luminescence Properties of Eu²⁺-doped A₂CaPO₄F（A = K， Rb）[J].Chinese Journal of Luminescence,2022,43(09):1340-1349. DOI： 10.37188/CJL.20220148.

摘要

⁃激活

CaPO

F（

K，Rb）荧光粉因具有优异的发光性能而引起研究人员的重点关注。然而，Eu

掺杂格位占据和光谱指认及其光谱调控机制依然不甚清楚。本文采用密度泛函理论系统计算了Eu

占据不同晶体学格位时的缺陷形成能及光学跃迁能量，以此为基础对发射光谱进行指认。结果表明，K

CaPO

F∶Eu

位于660 nm附近和480 nm附近的发射峰虽然都来自Eu

占据在K格位，但二者的电荷补偿方式不同：前者两个配位F原子被O原子取代，同时与其中一个O原子近邻的K原子被Ca原子取代；后者只有一个配位F原子被O原子取代。Rb

CaPO

F∶Eu

位于480 nm附近的发射峰来自Eu

占据Rb格位，电荷补偿方式为：两个配位F原子被O原子取代，同时与两个O原子都相邻的K原子被Ca原子取代。此外，对Eu

占据格位的配位环境和电子结构进行分析，讨论了其与光谱发射峰位置之间的变化关系。本工作不仅诠释了实验现象，还可以为实验上进一步优化荧光粉发光性能提供理论参考。

Abstract

-activated

CaPO

F（

K，Rb）phosphors have attracted significant attention for their superior luminescence properties. However， the site occupation， the associated spectral assignment of dopant Eu

， and hence the mechanism behind the site-regulated emission tuning， still remain elusive. Herein， we carried out systematic density functional theory calculations on defect formation energies and optical transitions of Eu

situated at different crystallographic sites with various local charge compensations. It shows that， for K

CaPO

F∶Eu

， the ~660 nm emission is due to Eu

located on the K site with charge compensation by two coordinating O

substitutions plus one Ca

near one of the two O

defects， while the ~480 nm emission comes from Eu

located on the K site with charge compensation by one coordinating O

substitution. For Rb

CaPO

F∶Eu

， the ~480 nm emission originates from Eu

located at the Rb site with two coordinating O

defects plus one Ca

near both the O

defects. On this basis， we analyze Eu

local environments and electronic properties， and discuss their relationship with the relative spectral shift from Eu

in K

CaPO

F∶Eu

to Rb

CaPO

F. Our results can not only assist in the understanding of experimental observations but also provide a theoretical basis for further performance optimization of the phosphors.

关键词

Eu2+掺杂A2CaPO4F（A=K，Rb）密度泛函理论计算格位占据发光性质

Keywords

Eu2+ -dopingA2CaPO4F （A=K， Rb）density functional theory calculationssite occupationluminescence properties

references

SCHUBERT E F， KIM J K. Solid-state light sources getting smart ［J］. Science， 2005， 308（5726）： 1274-1278. doi: 10.1126/science.1108712http://dx.doi.org/10.1126/science.1108712

HÖPPE H. Recent developments in the field of inorganic phosphors ［J］. Angew. Chem. Int. Ed.， 2009， 48（20）： 3572-3582. doi: 10.1002/anie.200804005http://dx.doi.org/10.1002/anie.200804005

李江，李万圆，刘欣，等. 固态照明/显示用荧光陶瓷研究进展［J］. 发光学报， 2021， 42（5）： 580-604. doi: 10.37188/CJL.20200402http://dx.doi.org/10.37188/CJL.20200402

LI J， LI W Y， LIU X， et al. Research progress on phosphor ceramics for solid-state lighting/display ［J］. Chin. J. Lumin.， 2021， 42（5）： 580-604. （in Chinese）. doi: 10.37188/CJL.20200402http://dx.doi.org/10.37188/CJL.20200402

CHEN Q S， WU J， OU X Y， et al. All-inorganic perovskite nanocrystal scintillators ［J］. Nature， 2018， 561（7721）： 88-93. doi: 10.1038/s41586-018-0451-1http://dx.doi.org/10.1038/s41586-018-0451-1

BECKER M A， VAXENBURG R， NEDELCU G， et al. Bright triplet excitons in caesium lead halide perovskites ［J］. Nature， 2018， 553（7687）： 189-193. doi: 10.1038/nature25147http://dx.doi.org/10.1038/nature25147

DAICHO H， SHINOMIYA Y， ENOMOTO K， et al. A novel red-emitting K2Ca（PO4）F∶Eu2+ phosphor with a large Stokes shift ［J］. Chem. Commun.， 2018， 54（8）： 884-887. doi: 10.1039/c7cc08202ahttp://dx.doi.org/10.1039/c7cc08202a

LI Y， QIU Z X， ZHANG J L， et al. Highly efficient and thermally stable single-activator white-emitting phosphor K2Ca⁃（PO4）F∶Eu2+ for white light-emitting diodes ［J］. J. Mater. Chem. C， 2019， 7（29）： 8982-8991. doi: 10.1039/C9TC02844Ghttp://dx.doi.org/10.1039/C9TC02844G

KANG Z Y， WANG S C， SETO T， et al. A highly efficient Eu2+ excited phosphor with luminescence tunable in visible range and its applications for plant growth ［J］. Adv. Opt. Mater.， 2021， 9（22）： 2101173-1-12. doi: 10.1002/adom.202101173http://dx.doi.org/10.1002/adom.202101173

ZHANG R， SUN J F. An efficient perovskite-type Rb2CaPO4F∶Eu2+ phosphor with high brightness towards closing the cyan gap ［J］. J. Alloys Compd.， 2021， 872： 159698-1-16. doi: 10.1016/j.jallcom.2021.159698http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.159698

WU D W， SHI C， ZHOU J C， et al. Full-visible-spectrum lighting enabled by site-selective occupation in the high efficient and thermal stable （Rb， K）2CaPO4F∶Eu2+ solid-solution phosphors ［J］. Chem. Eng. J.， 2022， 430： 133062. doi: 10.1016/j.cej.2021.133062http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2021.133062

LI G G， LIN C C， CHEN W T， et al. Photoluminescence tuning via cation substitution in oxonitridosilicate phosphors： DFT calculations， different site occupations， and luminescence mechanisms ［J］. Chem. Mater.， 2014， 26（9）： 2991-3001. doi: 10.1021/cm500844vhttp://dx.doi.org/10.1021/cm500844v

WANG L， XIE R J， SUEHIRO T， et al. Down-conversion nitride materials for solid state lighting： recent advances and perspectives ［J］. Chem. Rev.， 2018， 118（4）： 1951-2009. doi: 10.1021/acs.chemrev.7b00284http://dx.doi.org/10.1021/acs.chemrev.7b00284

QIN X， LIU X W， HUANG W， et al. Lanthanide-activated phosphors based on 4f-5d optical transitions： theoretical and experimental aspects ［J］. Chem. Rev.， 2017， 117（5）： 4488-4527. doi: 10.1021/acs.chemrev.6b00691http://dx.doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00691

XIA Z G， LIU Q L. Progress in discovery and structural design of color conversion phosphors for LEDs ［J］. Prog. Mater. Sci.， 2016， 84： 59-117. doi: 10.1016/j.pmatsci.2016.09.007http://dx.doi.org/10.1016/j.pmatsci.2016.09.007

DORENBOS P. ［INVITED］ Improved parameters for the lanthanide 4f q and 4f q-15d curves in HRBE and VRBE schemes that takes the nephelauxetic effect into account ［J］. J. Lumin.， 2020， 222： 117164-1-11. doi: 10.1016/j.jlumin.2020.117164http://dx.doi.org/10.1016/j.jlumin.2020.117164

KHAN S A， KHAN N Z， SOHAIL M， et al. Modern aspects of strategies for developing single-phase broadly tunable white light-emitting phosphors ［J］. J. Mater. Chem. C， 2021， 9（38）： 13041-13071. doi: 10.1039/d1tc02952ehttp://dx.doi.org/10.1039/d1tc02952e

KRÖGER F A， VINK H J. Relations between the concentrations of imperfections in crystalline solids ［J］. Solid State Phys.， 1956， 3： 307-435. doi: 10.1016/s0081-1947(08)60135-6http://dx.doi.org/10.1016/s0081-1947(08)60135-6

JONES R O. Density functional theory： its origins， rise to prominence， and future ［J］. Rev. Mod. Phys.， 2015， 87（3）： 897-923. doi: 10.1103/revmodphys.87.897http://dx.doi.org/10.1103/revmodphys.87.897

BECKE A D. Perspective： fifty years of density-functional theory in chemical physics ［J］. J. Chem. Phys.， 2014， 140（18）： 18A301-1-18. doi: 10.1063/1.4869598http://dx.doi.org/10.1063/1.4869598

ALKAUSKAS A， MCCLUSKEY M D， VAN DE WALLE C G. Tutorial： defects in semiconductors—combining experiment and theory ［J］. J. Appl. Phys.， 2016， 119（18）： 181101-1-11. doi: 10.1063/1.4948245http://dx.doi.org/10.1063/1.4948245

CHAI K， CHENG S C， LI H Y， et al. Modulation of perovskite-related frameworks induced by alkaline earth metals in phosphate fluorides A2MPO4F （A=K， Rb； M=Ba， Ca）［J］. New J. Chem.， 2019， 43（20）： 7839-7845. doi: 10.1039/c9nj01051chttp://dx.doi.org/10.1039/c9nj01051c

JIA Y C， MIGLIO A， PONCÉ S， et al. First-principles study of the luminescence of Eu2+-doped phosphors ［J］. Phys. Rev. B， 2017， 96（12）： 125132-1-4. doi: 10.1103/physrevb.96.125132http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.96.125132

NING L X， HUANG X X， HUANG Y C， et al. Origin of the green persistent luminescence of Eu-doped SrAl2O4 from a multiconfigurational ab initio study of 4f7 → 4f65d1 transitions ［J］. J. Mater. Chem. C， 2018， 6（25）： 6637-6640. doi: 10.1039/c8tc02141dhttp://dx.doi.org/10.1039/c8tc02141d

DU M H， REBOREDO F A. （INVITED）First-principles calculations of quantum transitions at local centers ［J］. Opt. Mater.： Ⅹ， 2020， 8： 100066-1-8. doi: 10.1016/j.omx.2020.100066http://dx.doi.org/10.1016/j.omx.2020.100066

DU M H. Using DFT methods to study activators in optical materials ［J］. ECS J. Solid State Sci. Technol.， 2016， 5（1）： R3007-R3018. doi: 10.1149/2.0011601jsshttp://dx.doi.org/10.1149/2.0011601jss

PERDEW J P， ERNZERHOF M， BURKE K. Rationale for mixing exact exchange with density functional approximations ［J］. J. Chem. Phys.， 1996， 105（22）： 9982-9985. doi: 10.1063/1.472933http://dx.doi.org/10.1063/1.472933

CANNING A， CHAUDHRY A， BOUTCHKO R， et al. First-principles study of luminescence in Ce-doped inorganic scintillators ［J］. Phys. Rev. B， 2011， 83（12）： 125115-1-12. doi: 10.1103/physrevb.83.125115http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.83.125115

DUDAREV S L， BOTTON G A， SAVRASOV S Y， et al. Electron-energy-loss spectra and the structural stability of nickel oxide： an LSDA+U study ［J］. Phys. Rev. B， 1998， 57（3）： 1505-1509. doi: 10.1103/physrevb.57.1505http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.57.1505

KRESSE G， FURTHMÜLLER J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set ［J］. Phys. Rev. B， 1996， 54（16）： 11169-11186. doi: 10.1103/physrevb.54.11169http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.54.11169

KRESSE G， JOUBERT D. From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented-wave method ［J］. Phys. Rev. B， 1999， 59（3）： 1758-1775. doi: 10.1103/physrevb.59.1758http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.59.1758

BLÖCHL P E. Projector augmented-wave method ［J］. Phys. Rev. B， 1994， 50（24）： 17953-17979. doi: 10.1103/physrevb.50.17953http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.50.17953

JIA Y C， PONCÉ S， MIGLIO A， et al. Assessment of first-principles and semiempirical methodologies for absorption and emission energies of Ce3+-doped luminescent materials ［J］. Adv. Opt. Mater.， 2017， 5（7）： 1600997-1-12. doi: 10.1002/adom.201600997http://dx.doi.org/10.1002/adom.201600997

孙怀洋，蒋鸿. 稀土发光材料理论计算方法研究现状［J］. 中国稀土学报， 2021， 39（3）： 350-375. doi: 10.11785/S1000-4343.20210303http://dx.doi.org/10.11785/S1000-4343.20210303

SUN H Y， JIANG H. Current status of theoretical approaches to rare earth luminescent materials ［J］. J. Chin. Soc. Rare Earths， 2021， 39（3）： 350-375. （in Chinese）. doi: 10.11785/S1000-4343.20210303http://dx.doi.org/10.11785/S1000-4343.20210303

BLASSE G， GRABMAIER B C. Luminescent Materials ［M］. Berlin： Springer， 1994. doi: 10.1007/978-3-642-79017-1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-79017-1

TOYOZAWA Y. Optical Processes in Solids ［M］. New York： Cambridge University Press， 2003. doi: 10.1017/cbo9780511615085http://dx.doi.org/10.1017/cbo9780511615085

HENDERSON B， IMBUSCH G F. Optical Spectroscopy of Inorganic Solids ［M］. Oxford： Oxford University Press， 2006.

STONEHAM A M. Theory of Defects in Solids： Electronic Structure of Defects in Insulators and Semiconductors ［M］. Oxford： Oxford University Press， 2001. doi: 10.1093/acprof:oso/9780198507802.003.0002http://dx.doi.org/10.1093/acprof:oso/9780198507802.003.0002

NING L X， JI X W， DONG Y Y， et al. First-principles study of Ce-doped Y3Al5O12 with Si—N incorporation： electronic structures and optical properties ［J］. J. Mater. Chem. C， 2016， 4（23）： 5214-5221. doi: 10.1039/c6tc01691jhttp://dx.doi.org/10.1039/c6tc01691j

NING L X， HUANG X X， SUN J C， et al. Effects of Si codoping on optical properties of Ce-doped Ca6BaP4O17： insights from first-principles calculations ［J］. J. Phys. Chem. C， 2016， 120（7）： 3999-4006. doi: 10.1021/acs.jpcc.5b11659http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b11659

OOMEN E W J L， DIRKSEN G J， SMIT W M A， et al. On the luminescence of the Sb3+ ion in Cs2NaMBr6（M=Sc， Y， La）［J］. J. Phys. C： Solid State Phys.， 1987， 20（8）： 1161-1171. doi: 10.1088/0022-3719/20/8/017http://dx.doi.org/10.1088/0022-3719/20/8/017

VAN STEENSEL L I， BLASSE G. The luminescence of Sb3+ in LaOCl ［J］. J. Alloys Compd.， 1996， 232（1-2）： 60-62. doi: 10.1016/0925-8388(95)02017-9http://dx.doi.org/10.1016/0925-8388(95)02017-9

DORENBOS P. （INVITED）Blasse's Pandora's box ［J］. Opt. Mater.： Ⅹ， 2021， 11： 100076-1-6. doi: 10.1016/j.omx.2021.100076http://dx.doi.org/10.1016/j.omx.2021.100076

SHANNON R D. Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides ［J］. Acta Crystallogr. A， 1976， 32（5）： 751-767. doi: 10.1107/s0567739476001551http://dx.doi.org/10.1107/s0567739476001551

浏览量

447

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

稀土离子的多格位占据及能量传递

BaGa₂Si₂O₈：Eu²⁺, Eu³⁺, Pr³⁺的发光性质及其防伪加密应用

Dy³⁺和Ce³⁺共掺Y₃Al₅O₁₂荧光粉的制备及发光性质

Tb³⁺掺杂高密度锗酸盐闪烁玻璃的发光性质

Eu2+掺杂A2CaPO4F（A=K，Rb）格位占据和发光性质的第一性原理研究

First-principles on Site Occupation and Luminescence Properties of Eu2+-doped A2CaPO4F（A = K， Rb）

DOI：10.37188/CJL.20220148

摘要

Abstract

关键词

Keywords

references

Eu²⁺掺杂A₂CaPO₄F（A=K，Rb）格位占据和发光性质的第一性原理研究

First-principles on Site Occupation and Luminescence Properties of Eu²⁺-doped A₂CaPO₄F（A = K， Rb）