由于長余輝和光激勵發(fā)光材料具備獨(dú)特的能量存儲及可控釋放特性，在高分辨成像、柔性x射線探測器、多維信息存儲與加密防偽等領(lǐng)域頗具應(yīng)用前景。這類材料一般由基質(zhì)晶格、發(fā)光中心和陷阱捕獲中心組成。其中，長余輝材料的陷阱較淺，所捕獲的載流子在室溫下自發(fā)釋放;光激勵材料的陷阱相對較深，需要光刺激釋放出深陷阱中所存儲的載流子。同時，陷阱的分布難以調(diào)控。目前，關(guān)于這兩類材料的研究主要局限于單一發(fā)光類型以及有限的發(fā)光波段。鮮有關(guān)于在同一基質(zhì)材料中實(shí)現(xiàn)多色的長余輝及光激勵發(fā)光的報道，阻礙了相關(guān)多功能熒光粉的應(yīng)用拓展。

中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所和閩都創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室陳學(xué)元團(tuán)隊(duì)研究員涂大濤，聯(lián)合福建農(nóng)林大學(xué)，通過在cs2nagdf6氟化物雙鈣鈦礦材料中引入稀土離子作為發(fā)光中心及空穴捕獲中心，開發(fā)了一類具備深、淺陷阱的新型高效氟化物熒光粉。該工作基于稀土離子獨(dú)特的能級結(jié)構(gòu)，對陷阱的分布進(jìn)行了有效調(diào)控，首次同時實(shí)現(xiàn)了x射線激發(fā)的全光譜多色可調(diào)的長余輝及光激勵發(fā)光(如圖)。該研究所開發(fā)的熒光粉在停止x射線激發(fā)后，余輝時間可長達(dá)一周，且發(fā)光波段可從紫外調(diào)控到近紅外ii區(qū)。此外，在停止激發(fā)150小時后，在980 nm波長光激發(fā)后，材料展現(xiàn)出優(yōu)異的光激勵發(fā)光，這表明其長時間的能量存儲能力。

該研究通過實(shí)驗(yàn)表征和電子結(jié)構(gòu)計算分析，揭示了材料的電子陷阱來源于氟空位，而稀土離子摻雜引發(fā)晶體場變化，影響氟空位形成。同時，結(jié)合稀土離子在基質(zhì)材料中的能級位置，該研究證明了稀土離子作為空穴捕獲中心。研究顯示，不同稀土離子的空穴捕獲能力不同，進(jìn)而表現(xiàn)出不同的長余輝性能?；谙⊥翐诫scs2nagdf6熒光粉的多色發(fā)光特性，該團(tuán)隊(duì)將其制成柔性耐水薄膜，展示了其多色長余輝發(fā)光(persl)、光激勵發(fā)光(psl)以及熱激勵發(fā)光(tsl)特性，證明了該材料在多重防偽應(yīng)用等方面的應(yīng)用潛力。

該工作通過引入稀土離子作為發(fā)光中心和陷阱捕獲中心，在同一基質(zhì)材料中實(shí)現(xiàn)了紫外-近紅外ii區(qū)全光譜可調(diào)的長余輝及光激勵多色發(fā)光，為電子捕獲材料的設(shè)計開辟了新思路，并為多功能熒光粉的開發(fā)應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

相關(guān)研究成果以engineering trap distribution to achieve multicolor persistent and photostimulated luminescence from ultraviolet to near-infrared-ii為題，發(fā)表在《物質(zhì)》(matter)上。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃稀土新材料專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金和福建省基金等的支持。

此前，陳學(xué)元團(tuán)隊(duì)在稀土摻雜鈣鈦礦材料的光學(xué)性能設(shè)計方面取得了系列重要進(jìn)展：通過局域電子結(jié)構(gòu)調(diào)控，在cs2naincl6中基于cl--yb3+荷移躍遷敏化，實(shí)現(xiàn)了高效的稀土離子近紅外發(fā)光;通過na/ag合金化策略，在cs2agbicl6雙鈣鈦礦材料中增強(qiáng)了yb3+和er3+的近紅外發(fā)光;通過te4+和稀土離子共摻實(shí)現(xiàn)cs2zncl6空位有序型雙鈣鈦礦的高效近紅外發(fā)光。