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《安徽师范大学》 2017年
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Ce~(3+)和Mn~(4+)离子掺杂晶体的第一性原理研究

纪晓雯  
【摘要】:照明产业中关键材料的发现促进了无机发光二极管的发展,仍有一些问题正亟待解决,以进一步扩大LED技术在照明、显示和其他应用领域的影响。在白光LED中添加红色光谱成分以使其成为更适用于采光和照明的暖光光源是现在研究的一个主流方向。因此,将Si-N共掺杂进入YAG:Ce后发射光谱的红移引起了人们对这一掺杂体系的注意。此外,由于稀土元素的短缺,同时促进了人们寻找稀土元素的替代品,金属离子Mn4+掺杂氧氟化物进入了人们的视野。第一章绪论介绍了稀土元素在发光照明领域的广泛应用,以及本论文的研究对象稀土Ce3+离子和过渡金属Mn4+离子掺杂材料在发光照明领域的应用研究背景。第二章主要介绍了本文采用的理论方法和第一性原理计算软件,包括基于密度泛函理论(DFT)的VASP软件包和基于波函数的量化软件MOLCAS。第三章介绍本论文的主体部分。文献实验报道将Si–N共掺进入Ce3+离子掺杂Y3Al5O12晶体(YAG:Ce),发射光谱与原YAG:Ce的黄光发射光谱相比,具有较低的能量但更强发光热猝灭。在本文工作中,我们利用第一性原理研究了Ce和Si-N共掺杂YAG晶体的电子结构和光学性质,以获取Si-N共掺杂对Ce3+的电子结构和光学性质影响的微观认识。DFT计算结果表明,Si-N更倾向于随机替代AlO4四面体中的Al(tet)-O格位,其中最近邻SiAl(tet)-NO取代会导致Ce3+离子4f1基态能级相对于基质价带顶能级略微上移。基于波函数的CASSCF/CASPT2计算表明,最近邻SiAl(tet)–NO取代导致Ce3+最低能量4f(1)→5d(1)吸收跃迁红移,与实验观测一致。进一步分析发现,红移是由于Ce3+的5d晶体场分裂增加和5d组态权重能级降低共同造成的。综合以上结果得出最近邻SiAl(tet)-NO取代情况下,最低能量Ce3+5d(1)能级与导带底能级(CBM)之间能量间隔大体不变,从而排除了5d电子热电离作为Ce3+离子较低能量发光辐射热淬灭的物理原因,同时意味着从5d(1)到4f1态的热激发交叉驰豫很可能是主要原因,这也与本文计算结果一致。第四章为本论文的另一个部分。研究了适合用于制作暖光白色LED的非稀土材料Sr4Al14O25:Mn4+掺杂各位占据情况。利用基于密度泛函理论的VASP程序包对各种占据情形进行构型优化。通过比较优化体系总能量得出Mn4+掺杂在Sr4Al14O25晶体中的格位占据倾向性。发现Mn4+在Sr4Al14O25晶体中倾向取代占据六种不同的Al格位中的Al4和Al5两种格位;其次,在Mn4+取代占据Al3+的同时加入Mg2+进行电荷补偿,可以发现Mg2+倾向于取代占据距离Mn4+较近的Al6格位。
【学位授予单位】:安徽师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O469

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