紫光激发白光发光二极管(Light Emitting Diode, LED)具有色温可调、视觉友好等优点, 已经受到了广泛关注。但是, 适用于紫光(400~420 nm)激发的高性能荧光材料尚未取得大规模应用, 其中荧光材料的耐候性是评判其是否具有商业化应用潜力的重要因素之一。然而, 目前针对荧光材料耐候性的研究却十分缺乏。本研究首先采用固相反应法制备了K₂CaPO₄F:Eu²⁺、K_1.3Al₁₁O_17+δ:Eu²⁺和Ca₂YHf₂Al₃O₁₂:Ce³⁺,Tb³⁺三种LED用紫光激发稀土发光材料。然后开展了荧光粉在高温高湿、水浸泡、LED芯片紫光辐照等条件下的耐候性实验, 研究了其耐候性以及失效机理。最后, 将三种荧光粉与400 nm紫光芯片组合, 制备了白光LED器件。结果表明, 相较于同体系荧光粉, 本研究所制备的荧光粉不仅在发光性能方面有所优化, 而且对材料在不同使用环境下的耐候性表征更为全面。所制备的白光LED器件的显色指数为93.6、色温为5151 K、色坐标为(0.34, 0.36), 展现出优质的白光照明性能, 且白光LED器件的耐候性相对于单一荧光粉有所提升。上述研究表明, 对荧光材料及其对应的LED器件进行耐候性评估是至关重要的。本工作率先开展了紫光激发LED用荧光材料的耐候性研究, 对于推动其应用具有指导和借鉴意义。

3~5 μm中红外激光在大气通信、环境监测、医疗、国防等领域有着广泛的应用。本研究采用熔融-淬冷法在惰性气氛保护手套箱中制备了Dy³⁺、Yb³⁺单掺和Dy³⁺/Yb³⁺共掺70TeO₂-25ZnO-5La₂O₃系列玻璃样品, 通过差示扫描量热(DSC)法、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、透过光谱以及3 μm波段荧光光谱等测试方法对玻璃的热学和结构特性、羟基含量和中红外发光性能进行了表征。其中, 70TeO₂-25ZnO-5La₂O₃玻璃具有较高的抗析晶稳定性(ΔT=101 ℃)、较低的声子能量(760 cm^-1)。980 nm激光二极管(LD)泵浦下Dy³⁺/Yb³⁺共掺碲酸盐玻璃产生了3 μm波段宽带荧光发射, 荧光半高宽(FWHM)为326 nm。这主要归因于Yb³⁺→Dy³⁺能量传递效率高(98.74%)和3 μm附近较低的羟基吸收系数(0.32 cm^-1)。根据Judd-Ofelt和Dexter理论计算了Dy³⁺离子的自发辐射跃迁概率、荧光分支比等光谱参数, 以及Yb³⁺→Dy³⁺能量传递微观参数, 讨论并确定了Yb³⁺: ²F_5/2→Dy³⁺: ⁶H_7/2, ⁶F_9/2为主要的能量传递通道。研究表明, 低羟基Dy³⁺/Yb³⁺共掺TeO₂-ZnO-La₂O₃玻璃可以作为优良的3 μm中红外增益介质。

钙钛矿量子点在显示应用方面具有独特优势, 然而在高亮度下其长期稳定性仍是一个巨大的挑战。本文聚焦于钙钛矿量子点及其发光薄膜形貌的调控进展, 阐述了长程有序的钙钛矿量子点薄膜对其电致发光性能的影响, 并展望了其在提升钙钛矿量子点电致发光稳定性方面的发展前景。

作为环境友好型发光量子点(QDs)的重要替代材料, CuInS基核/壳量子点近年来受到越来越多的关注。然而, 这类量子点的一些缺点仍然阻碍了它们的工业化应用, 比如较低的光致发光量子产率(PLQY)、复杂的合成途径、发射光谱易失去控制、光稳定性不足等。本研究通过一锅/三步法合成策略成功制备了CuInZnS@ZnS核/壳量子点, 并精确调控其荧光发射光谱, 然后系统研究了CuInZnS@ZnS量子点在晶核形成、合金化和ZnS壳层生长过程中的集合体光谱特性。通过控制Cu/In元素的化学计量比、Zn²⁺掺杂以及ZnS壳层生长, 实现了量子点荧光发射峰在530~850 nm范围内的精准调控。CuInZnS@ZnS量子点具有明显的长荧光发射寿命(长达750 ns)、高PLQY(高达85%)和优异的结晶度。基于Cu缺陷相关的分子内定域能级发射模型阐释了集合体光谱演变规律。通过控制Cu/In元素的化学计量比, 并且基于Cu缺陷的不同氧化态, 提出了两种不同的Cu缺陷相关发射途径。本工作为制备高荧光效率的三元或四元合金量子点提供了更深入的见解。

全无机钙钛矿(CsPbX₃, X = Cl, Br, I)纳米晶因其卓越的光电性能被广泛应用于光电子器件领域, 但稳定性问题仍然是制约其商业化发展的主要因素之一。基于此, 本研究以提高CsPbBr₃纳米晶的稳定性和固态发光性能为研究目标, 选用具有优异疏水性能的多孔MIL-53(Al)金属有机框架(MOFs)作为封装基质, 通过热注射工艺在MIL-53(Al)孔道内原位限域生长CsPbBr₃纳米晶, 成功制备了优异发光性能和稳定性的CsPbBr₃@MIL-53纳米复合荧光粉。MIL-53通过包含的苯环和有机配体与CsPbBr₃纳米晶螯合, 将其稳固地锚定在孔道内, 既保护了CsPbBr₃纳米晶免受外界环境的影响, 又有效防止了纳米晶之间的聚集, 从而避免了固态荧光猝灭。此外, MIL-53中的COO^-官能团与CsPbBr₃纳米晶表面未配对的Pb²⁺结合, 钝化了其表面的缺陷, 抑制了载流子的非辐射复合。MIL-53包含的苯环及有机长链又赋予了纳米复合荧光粉出色的疏水性能。这些因素的协同作用显著提升了CsPbBr₃@MIL-53纳米复合荧光粉的光学性能和水稳定性, 其荧光量子产率(Photoluminescence Quantum Yield, PLQY)为75.4%, 是固态CsPbBr₃纳米晶粉体(33.2%)的2.3倍。将CsPbBr₃@MIL-53纳米复合荧光粉完全浸泡在水中10 h, 其荧光强度仍能维持初始值的75.6%。最后, 将绿光发射的CsPbBr₃@MIL-53纳米复合荧光粉应用于白光发光二极管(Light Emitting Diodes, LEDs)器件, 实现了126% NTSC和85% Rec. 2020的宽色域覆盖面积, 表明其在显示器件领域具有优异的应用前景。

无机磷主要以磷酸根的形式存在, 在自然界生命循环和现代工业社会中发挥重要作用。磷酸根离子的快速高效定量检测一直是临床生化分析、工业生产和环境污染监测等领域的研究热点。本工作以聚丙烯酸(PAA)为络合剂, 通过与Ca²⁺和Ce³⁺的络合反应, 合成了具有良好分散性和稳定性的PAA-Ca(Ce)纳米团簇荧光探针。利用298 nm激发光照射该探针与磷酸根的反应产物, 建立其在352 nm处发射峰峰值强度与磷酸根浓度的线性关系图。实验结果表明, (Ca²⁺+Ce³⁺)浓度为37.575 mmol/L的纳米荧光探针与磷酸根浓度的线性关系式为y=1.09x+2.05, 荧光强度可靠性范围为13.5~66.91 mmol/L。与钼锑抗分光光度法测试磷酸根对比, 该方法具有更高的回收率。大鼠血清无机磷检测实验验证了该方法的可靠性。以上结果表明本研究所合成的荧光探针具有良好的磷酸根定量检测性能。

力致发光材料独特的机械能-光能转换方式使其在应力传感领域具有广泛的应用前景, 并有望成为新一代可视化应变传感材料。目前拓展力致发光材料体系和提高其性能仍然是研究的重点。本研究采用BaSrGa₄O₈基质(六方晶系, 空间群为P6₃, 具有非中心对称结构), 通过高温固相反应法合成了系列Tb³⁺掺杂绿色力致发光荧光粉。材料在不同的力学激励(拉伸、压缩、扭曲)下都可以发出明亮的绿光。用玻璃棒在制备的力致发光弹性体上分别书写B、S、G、O、T、b, 观察到清晰的笔记映射, 通过分析力致发光图像的颜色映射值, 可追溯材料在书写过程中的受力情况, 这是首次在上述基质掺杂体系中观测到的力致发光现象。在254 nm紫外光激发下, BaSr_1-xGa₄O₈: xTb³⁺荧光粉亦呈现发射波长为543 nm的明亮绿光, 这归因于Tb³⁺的⁵D₄-⁷F₅跃迁, 具有和力致发光同样的发光中心, 去除紫外照射后样品仍显示出强烈的余辉发光。通过力致发光、光致发光、长余辉发光结合热释光分析, 进一步阐明了三者之间的内在联系。本研究拓宽了高性能力致发光材料体系的范围, 其在可视化应力传感、信息安全防伪等领域展现出潜在的应用前景。

硼硅酸盐玻璃包覆钙钛矿CsPbBr₃量子点(PQDs@glass)能够大幅提高PQDs的稳定性, 使其在LED照明和显示技术中拥有广泛的应用空间。然而, 玻璃包覆的同时也导致了PQDs发光强度与量子产率降低。本工作为提高其发光强度探讨了热诱导温度及Pb²⁺的含量对PQDs@glass结构的影响，当热诱导温度为460 ℃，Pb²⁺浓度为6 mol时，其发光强度最高。研究发现，Pb²⁺浓度的增加会导致玻璃网状结构的致密化，改变玻璃组分的扩散行为，影响PQDs的析晶过程，导致PQDs@glass发光强度的变化。本工作得到量子产率高达95.6%的PQDs@glass，并实现了硼硅酸盐玻璃基质内PQDs的尺寸可控制备。结果表明, PQDs尺寸分布在10 nm左右, 超过86%的颗粒尺寸在6~14 nm内, 且具有优越的稳定性, 经历10次室温至200 ℃热循环后, 发光强度仍能保持初始强度的98.9%。最后, 为了验证其在LED照明及显示领域的应用, 将制备的量子点微晶玻璃粉料与二甲基硅氧烷(PDMS)混合, 得到的LED器件性能优异, 色域范围覆盖110% sRGB。本研究为PQDs@glass的大规模制备及其在LED器件领域的应用奠定了基础。

迟滞效应是影响钙钛矿太阳能电池性能和稳定性的重要问题, 离子迁移和由此产生的界面离子积累是引起迟滞效应最重要的原因之一。本研究采用上转换发光纳米材料(Upconversion Luminescent Nanoparticles, UCNP)修饰电子传输层/钙钛矿活性层的界面及本征钙钛矿活性层, 系统探究了UCNP对钙钛矿的形貌、结构、光谱/光电性能和离子迁移动力学的影响。结果表明: 钙钛矿活性层经过UCNP修饰后器件的光电转换效率(Power Conversion Efficiency, PCE)最佳(16.27%), 而且迟滞因子(Hysteresis Factor, HF)得到显著改善(0.05)。进一步采用回路切换瞬态光电技术系统探究了钙钛矿太阳能电池不受光生载流子干扰的离子迁移动力学过程, 证明UCNP在光电转换过程中起到抑制离子累积和迁移的双重作用: 一方面UCNP可以形成阻隔层, 阻碍离子累积; 另一方面, UCNP可以在退火过程中进入到钙钛矿体相晶界处, 阻碍离子迁移, 使恢复电压从0.43 V降低到0.28 V。极化诱导缺陷态模型解释了离子-载流子相互作用机制, 阐释了UCNP抑制钙钛矿光伏器件迟滞效应的机理。本研究可以为调控钙钛矿太阳能电池迟滞提供一种有效的解决方案。