能级跃迁的选择定则可用于判别含稀土离子的发光材料中的光吸收、能量传递和发光及非辐射能量弛豫过程是否发生。本研究中, 我们根据跃迁所涉及到的电子组态、稀土离子所处格位的对称性、跃迁所涉及到的多重态及晶格振动情况进行了细致地讨论分析。对于光吸收和发射过程, 我们得到了和相关文献报道一致的结果, 并对有些结果进行了更细致的解释。对于非辐射弛豫过程, 在考虑到对电子的单体作用的电声子耦合或非谐性作用, 我们给出了和辐射过程类似的选择定则。对于能量传递过程, 我们讨论了电多极-电多极能量传递的选择定则。我们采用获得的选择定则对文献中报道的几例能量传递与发光过程进行了具体的分析。

使用有效质量模型, 从理论上对GaAs/Al0.35Ga0.65As不对称耦合量子点在不同耦合强度下束缚态和反束缚态的能级分裂情况进行了详细分析, 重点探讨了电子和空穴的耦合隧穿对量子点体系能级特征及激子发光强度的影响。研究发现: 不对称耦合量子点在外电场作用下价带束缚态和反束缚态能级出现反交现象, 反交处的能级分裂值和临界电场随量子点间距的增加而减小;对应的激子发光强度也经历了从亮(暗)到暗(亮)激子的转变。

以乙二醇为溶剂, 采用低温溶剂热法制备了Ho3+/Yb3+共掺杂In2O3纳米晶。利用X射线晶体衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)对粒子的结构和形貌进行表征, 结果表明, 合成的样品为纯的立方相In2O3, 颗粒尺寸约为30 nm。通过上转换发光(UCL)光谱研究了粒子的上转换发光性质, 在980 nm半导体激光激发下, In2O3∶Ho3+,Yb3+纳米晶发射出强的绿色和弱的红色上转换发光, 分别归属于Ho3+离子(5F4,5S2)→5I8和5F5→5I8跃迁。研究了不同Ho3+和Yb3+离子掺杂浓度对上转换发光性能的影响, 确定了Ho3+和Yb3+最佳掺杂摩尔分数分别为3%和4%。双对数曲线显示,绿光和红光的发射过程均为双光子吸收过程。对样品的上转换发光机制进行了初步讨论。

采用水热法制备了CaSnO3∶Eu3+红色荧光粉, 利用X射线粉末衍射、场发射扫描电镜和荧光光谱对CaSnO3∶Eu3+粉末进行了表征。实验结果表明, 这种新型的荧光粉可以被紫外光280 nm、近紫外光395 nm和蓝光465 nm有效地激发, 发射主峰位于614 nm。光谱分析结果表明, Eu3+离子在晶体结构中占据了非反演对称中心的位置。395, 465 nm的吸收与目前广泛应用的紫外和蓝光LED芯片的输出波长匹配。因此, 这种荧光粉是一种可能应用在白光LED上的红色荧光材料。

采用高温固相法制备了LiBaPO4∶Eu3+红色发光材料, 研究了Eu3+掺杂浓度、电荷补偿剂等对材料发光性质的影响。结果显示, 在401 nm近紫外光激发下, 材料呈多峰发射, 分别由Eu3+的5D0→7FJ(J=0,1,2,3,4)能级跃迁产生, 主峰位于619 nm; 监测619 nm发射峰, 所得激发光谱由O2-→Eu3+电荷迁移带(200～350 nm)和f-f高能级跃迁吸收带(350～450 nm)组成, 主峰位于401 nm。改变Eu3+掺杂浓度, LiBaPO4∶Eu3+材料的发射强度随之改变, Eu3+摩尔分数为5%时, 强度最大; 依据Dexter理论, 得出浓度猝灭机理为电偶极-电偶极相互作用; 添加电荷补偿剂提高了LiBaPO4∶Eu3+材料的发射强度, 且Li+和Cl-的效果最好。

采用水热合成法制备了红色荧光粉MMoO₄∶Eu³⁺(M=Ca,Sr,Ba),用XRD、SEM、荧光激发和发射光谱对其物相、形貌以及发光性能进行表征和研究。结果表明,在800 ℃时可得到MMoO4 (M=Ca,Sr,Ba)物相结构, 荧光粉粒径小且粒度分布均匀。分别以395 nm的近紫外光和465 nm的蓝光激发样品, MMoO4∶Eu3+(M=Ca,Sr,Ba)荧光粉发红光,对应于Eu3+的4f-4f 跃迁,其中以616 nm发光最强。荧光粉在395 nm和465 nm的吸收分别与紫外光和蓝光LED芯片的发射相匹配。

以氨基磷酸为螯合剂, 通过共沉淀与水热法相结合, 成功地制备出NaYF4∶Yb3+,Er3+纳米晶。研究结果表明:水热前后NaYF4∶Yb3+,Er3+纳米晶均为立方相结构, 其颗粒大小约为80 nm。在980 nm近红外光激发下, 实现了样品的上转换发光。样品的上转换绿红光发射带归因于Er3+的2H11/2,4S3/2→4I15/2和4F9/2→4I15/2能级的跃迁。水热处理后的样品的上转换发光强度与水热处理前相比有了很大的增强。水热处理后, 样品表面的有机配体的减少和样品结晶度的提高是样品上转换发光显著增强的主要原因。

利用简单的水热法在ZnO纳米棒表面合成CdS纳米粒子。用扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)对CdS/ZnO异质结构进行表征。实验结果表明, 在生长CdS的过程中ZnO被逐渐地腐蚀。选择CdS/ZnO纳米复合材料作为光催化剂在紫外光和绿光照射的条件下降解甲基橙(MO)。CdS/ZnO纳米复合材料纳米棒作为光催化剂降解甲基橙的光催化活性有明显的提高。

采用传统高温固相反应法制备了一种新的白光LED用红色荧光粉LiLa2O2BO3∶Eu3+, 并对其晶体结构及发光性能进行了系统研究。XRD分析证实LiLa2O2BO3晶体能够稳定存在, 并利用Le Bail模型计算得到其晶胞参数。荧光光谱证实:Eu3+离子在LiLa2O2BO3晶体中占据非反演对称中心格位, 该系列荧光粉在紫外(396 nm)和蓝光(466 nm)激发下均表现为613 nm和623 nm的较强发射, 是一种可广泛适用于蓝光和近紫外光LED的红色荧光粉。进一步的研究发现: 引入适量Si4+取代部分基质B3+可有效的提高荧光粉的相对发光强度, 使其色坐标更接近NTSC标准(x=0.670, y=0.330)。

采用高温固相法在弱还原气氛下制备Ba0.955Al2-xBxSi2O8∶Eu2+(x=0～0.5)系列荧光粉, 研究B3+置换Al3+对晶体结构和光谱特性的影响。B3+以类质同相替代BaAl2Si2O8晶格中的Al3+形成部分连续固溶体, 随着B3+置换量的增加, 晶胞参数a, b, c和晶胞体积V呈线性递减, 晶面夹角β呈线性递增。荧光激发光谱位于225～400 nm的宽带谱可拟合成4个峰, 表观峰值位于337 nm, 半峰全宽为96 nm。荧光发射光谱位于370～600 nm, 可由423 nm和457 nm两峰拟合而成, 表观峰值位于437 nm, 两拟合峰峰位均随着B3+置换量的增加呈线性蓝移。

采用共沉淀方法制备了稀土离子Eu3+, Dy3+, Sm3+掺杂的Ca(Sr, Ba)WO4发光材料,目的是研究金属阳离子改变对稀土离子发光性质的影响。X射线衍射光谱数据表明, CaWO4、SrWO4、BaWO4都是四方晶系I41/a(88)结构, 随着阳离子半径增大, 衍射峰向小角移动。不同温度制备的BaWO4样品X射线衍射光谱数据表明, 温度较低时制备的晶体样品X射线衍射峰较宽; 当制备温度升高后, 晶体样品X射线衍射峰宽变窄。样品的SEM 照片表明, 低温制备的样品晶粒尺寸较小, 约为100~300 nm; 高温制备样品晶粒尺寸较大, 约为2~6 μm。测试了Eu3+, Dy3+, Sm3+掺杂的Ca(Sr, Ba)WO4发光材料的激发和发射光谱。计算了Eu3+掺杂的Ca(Sr, Ba)WO4的J-O强度参数Ωλ (λ=2,4), Ω2值随着阳离子半径增大迅速减小, 经分析它是导致Eu3+掺杂的Ca(Sr, Ba)WO4的发射强度随着阳离子半径增大迅速减弱的原因。然而Sm3+掺杂的SrWO4其他两种晶体相比, 其发射强度反而增强。根据激发光谱和文献报道, 我们认为可能是由于钨酸根离子与稀土离子的能量传递引起的。从Dy3+, Sm3+掺杂的Ca(Sr, Ba)WO4的发射光谱可以看到, 随着阳离子半径增大发射峰蓝移, 发射峰的Stark劈裂减弱。我们用位形坐标图解释了这一现象产生的原因。

采用传统熔融淬火技术制备了一系列Er3+离子掺杂复合银纳米颗粒的铋酸盐玻璃样品。研究了纳米银含量的改变对Er3+离子荧光发射特性的影响。研究发现,铒在1.53 μm处的荧光强度在银纳米颗粒质量分数为0.2%处取得最大值, 为未掺杂银纳米颗粒时的4.6倍。其荧光增强的原因归结于银纳米颗粒表面等离子体共振导致局域场增强和Ag0→Er3+的能量转移。

采用水热法合成2ZnO·2.2B2O3·3H2O∶Eu3+红色荧光粉。其形貌、结构和光学性能分别用扫描电镜、X射线衍射和荧光光谱进行表征。扫描电镜图片显示样品的尺寸分布在0.1~1 μm范围内。随着Eu3+掺杂浓度的升高, 样品向无定形的玻璃态转变。当激发波长为253 nm(属于Eu3+-O2-电荷迁移带吸收)时, 样品中Eu3+的发光强度远远强于用394 nm激发的; 当掺杂量增大到24%［n(Eu3+)∶n(Zn2+)=24%］时, 出现浓度猝灭效应。随着样品退火温度的升高, 样品逐渐变成为无定形的玻璃态。当样品的退火温度升高至400 ℃时, Eu3+的发光强度减弱, 与此同时出现了一个新的宽发射峰(峰位在470 nm, 对应于Eu2+的发射峰), 说明在此温度下部分Eu3+被还原成Eu2+。

以蓝光材料FIrpic同时掺杂空穴传输层TCTA和电子传输层TPBI, 制备了具有双发光层的高效率蓝光器件(D-BOLED), D-BOLED最大发光效率达23.4 cd/A, 比单发光层蓝光器件(S-BOLED)提高了约36.8%。这是因为双发光层结构能够更有效地利用扩散到激子复合界面两边载流子传输层的三线态激子。结合基于DCJTB的颜色转换层, 实现了色坐标为(0.33, 0.33)、最大效率为10.7 cd/A的白光发射。

使用GaN基材料制备了PIN结构核辐射探测器, 研究了探测器对X射线响应的多方面性能。在没有X射线照射时, 探测器具有很小的漏电流, 在-10 V时小于0.1 nA。对探测器的X射线的响应时间特性进行了分析和模拟, 给出了很好的物理机制解释。研究了信噪比随外加偏压的变化, 并得到了最佳信噪比对应的工作电压为-20 V。

制备了基于CuPc/C60双层异质结有机光伏器件, 研究不同光辐照强度及温度对器件性能的影响。测试结果表明: 辐照强度直接决定器件的短路电流大小, 但对开路电压影响不大; 器件的短路电流对温度依赖性不强, 但随着温度的降低, 器件的开路电压逐渐增大。结合实验数据从理论上解释了光辐照强度及温度与有机光伏器件短路电流密度和开路电压的关系, 为有机太阳能电池性能的改善提供了研究基础。

在真空室内一次性制备了具有多层栅介质层结构的有机薄膜晶体管(OTFTs)。结果表明, 制备的OTFTs具有电控开关、存储和光敏多重功能特性。分析认为, 存储特性归功于器件的结构, 采用了分离的CaF2纳米粒子岛作为电荷俘获中心。在光照环境下, 观察到了两种不同类型的光响应特性。快速的光响应来自于有源层吸收了能量大于带隙的光子所产生的可移动的电荷, 慢的光响应归因于电场作用下光感应的电子在栅介质陷阱的俘获与释放。

利用等离子体辅助分子束外延(P-MBE)设备在蓝宝石衬底上通过改变生长温度, 制备了不同的ZnO样品。研究了衬底温度对ZnO的结构、光学和电学性质的影响。样品的晶体结构利用X射线衍射谱进行表征。X射线衍射谱表明, 所有的ZnO样品都是(002)取向的六角纤锌矿结构。随着生长温度的升高, X射线的(002)衍射峰的半峰全宽逐渐减小。样品的表面形貌随着衬底的温度改变而变化, 在800 ℃得知了平整的ZnO表面。通过光致发光的实验得知, ZnO的紫外发光随着生长温度的升高, 强度逐渐增强。光致发光的来源为ZnO的自由激子发光。在生长温度为800 ℃时, 得到了高质量的ZnO单晶薄膜, X射线衍射峰的最大半峰全宽为0.05°, 霍尔迁移率为51 cm2/(V·s), 载流子浓度为1.8×1018 cm-3。

以玉米98-2为样品, 实验分析了高温、盐及紫外UV-B胁迫下, 样品离体叶片延迟荧光发射光谱的变化。标记685 nm主峰带的最高峰值为F685, 730 nm次峰带的最高峰值为F730, 实验发现不同的逆境胁迫对比值F730/F685均产生了显著的影响。结合样品在相同逆境下叶绿素荧光参数Fv/Fm以及DF强度的检测实验, 结果表明, 无论是在哪种逆境胁迫下, 无论是对胁迫程度还是胁迫时间的响应特性上, F730/F685、DF强度与Fv/Fm均有着较好的一致性, 线性拟合相似度大于0.960 9。因此, 通过对本文实验结果的分析认为, 延迟荧光光谱峰值比F730/F685的逆境胁迫响应与叶片受胁迫影响的程度密切相关, 且可能是一种检测植物逆境光合生理的新方法。