稀土發(fā)光材料在固態(tài)照明、液晶顯示及醫(yī)學(xué)影像等方面頗具應(yīng)用價(jià)值，是合成化學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。稀土發(fā)光材料發(fā)光的熱穩(wěn)定性是衡量材料能否實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵指標(biāo)之一，而當(dāng)前大部分材料隨溫度的升高，發(fā)射光譜發(fā)生移動(dòng)且發(fā)光效率降低，從而影響器件的正常工作。該現(xiàn)象已發(fā)現(xiàn)多年，但其微觀物理機(jī)制尚不清晰。 

　　中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所結(jié)構(gòu)化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員鄧水全團(tuán)隊(duì)運(yùn)用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法和模型計(jì)算，對(duì)稀土發(fā)光材料發(fā)光熱穩(wěn)定性的微觀物理機(jī)制進(jìn)行研究。 

　　該研究構(gòu)建了大量的結(jié)構(gòu)模型，發(fā)展了高通量計(jì)算方法和能量篩選技術(shù)，確定了能量最優(yōu)結(jié)構(gòu)，首次發(fā)現(xiàn)并解釋了缺陷體系的總能量與摻雜離子-空穴距離之間的對(duì)數(shù)關(guān)系，而非庫侖關(guān)系。 

　　研究基于確定的結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算了系列熒光粉材料的電子結(jié)構(gòu)，通過電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析確定了稀土發(fā)光材料的發(fā)光機(jī)理。研究考慮到稀土發(fā)光材料發(fā)光的局域性特征，探究了發(fā)光中心的局域性質(zhì)對(duì)熒光粉材料發(fā)光熱穩(wěn)定性的影響。研究采用冷凍聲子方案探索了發(fā)光過程中相關(guān)電子態(tài)與局域聲子的耦合作用及溫變規(guī)律，首次明確給出了熒光粉材料熱致發(fā)光藍(lán)移的微觀物理圖像。 

　　迄今為止，對(duì)熱淬滅現(xiàn)象的解釋均是基于凝聚物理理論的科學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者N.F. Mott的唯象模型。本工作將熱淬滅現(xiàn)象考慮為熱致譜線移動(dòng)的極端。科研人員通過研究局域聲子的非諧性計(jì)算了與發(fā)光中心有關(guān)的熱輸運(yùn)性能，從全新的角度解釋了熒光粉材料熱致發(fā)光效率降低的根本原因。 

　　該系列研究發(fā)現(xiàn)了決定缺陷體系原子尺度結(jié)構(gòu)的一般規(guī)律，揭示了熒光粉材料熱致發(fā)光藍(lán)移和熱致發(fā)光效率降低的微觀物理機(jī)制，為一大類缺陷體系結(jié)構(gòu)的確定提供了普適性的規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了對(duì)MOTT理論的跨越，為建立統(tǒng)一的一般性的熱相關(guān)的發(fā)光理論奠定了基礎(chǔ)。 

　　稀土發(fā)光材料熱致發(fā)光藍(lán)移的研究成果以Microscopic Mechanism of the Heat-Induced Blueshift in Phosphors and a Logarithmic Energy Dependence on the Nearest Dopant–Vacancy Distance為題，發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》上。稀土發(fā)光材料熱致發(fā)光效率降低的研究成果以High partial thermal conductivity of luminescence sites: a crucial factor for reducing the heat induced lowering of the luminescence efficiency為題，發(fā)表在Journal of Materials Chemistry C上，美國北卡羅納州立大學(xué)科研人員參與研究。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、福建省自然科學(xué)基金等的支持。 

　　論文鏈接：1、2 

圖1.（a）RbLi[Li₃SiO₄]₂:Eu²⁺所有結(jié)構(gòu)模型的能量分布圖；（b）RbLi[Li₃SiO₄]₂:Eu²⁺中結(jié)構(gòu)模型的總能量與距離之間的對(duì)數(shù)關(guān)系；（c）RbLi[Li₃SiO₄]₂:Eu²⁺中局域聲子振動(dòng)的勢能曲線及擬合曲線；（d）電子態(tài)與局域聲子的耦合作用對(duì)發(fā)光過程的影響 

圖2.（a）Sr[LiAl₃N₄]，Sr₂Si₅N₈和SrSiN₂中Sr原子的局域結(jié)構(gòu)；（b）Sr[LiAl₃N₄]:Eu²⁺，Sr₂Si₅N₈:Eu²⁺和SrSiN₂:Eu²⁺發(fā)光效率隨溫度的變化及與Eu相關(guān)的部分熱導(dǎo)率