共掺杂SrTiO：Pr的溶胶凝胶制备及其发光机理研究

摘要

SrTiO3：Pr3+是稀土离子敏化钙钛矿结构发光材料的典型代表，这种材料在金属离子掺杂改性之后其红色发光性能会有显著的提高，一直是广大稀土离子掺杂钙钛矿结构研究的热点课题。本论文先用一种简单实用的溶胶凝胶方法在同样的实验条件下制备出不同价态(Li+；Mg2+；Al3+)共掺杂的SrTiO3：Pr3+粉末和薄膜样品，把不同金属离子掺杂改性的不同结果进行比较。并通过第一性原理计算的方法从理论角度对金属离子掺杂增强SrTiO3：Pr3+系材料的光致发光性能做了详细的探讨。具有理论指导意义和一定的创新性。 本文所采用的溶胶凝胶方法可以使杂质离子部分进入晶格，但是没有引起SrTiO3主相结构的变化。SrTiO3：Pr3+粉末和薄膜样品，发射和激发曲线的规律一致，但是薄膜光致发光强度比粉末样品低。所有样品在617nm处均有发射光谱，可归属于Pr3+的1D2到3H4跃迁。掺Al的SrTiO3：Pr3+系荧光材料的发射峰强度提高的最多，而二价的Mg和一价的Li离子掺杂也有一定程度的提高，但效果远不及三价的Al离子。所有检测样品的激发光谱在360nm处峰的强度与617nm处的发射峰强度成正比，说明杂质离子的种类和掺杂浓度并未改变SrTiO3：Pr3+荧光体中的主要激发过程。 对SrTiO3：Pr3+材料的第一性原理计算结果表明，掺杂体系中，掺Al离子的体系稳定性最高。未掺杂SrTiO3理论计算是间接禁带半导体材料，掺入了稀土离子以后，SrTiO3由间接禁带半导体变成直接禁带半导体。导带和主价带之间均出现了由Pr3+引入两条杂质能级。共掺杂入金属离子后，费米能级处的态密度值较仅掺入Pr3+离子的态密度值都有所提高。共掺Al模型的费米能级处的态密度值最高，并且导带中电子态密度显示其电子弥散性最强。布局分析和差分电荷密度图表明，O原子和Pr离子，金属杂质离子构成的多面体内共价键和电子较体外活跃，是617nm红色发光跃迁的主要机构，影响较大。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 SrTiO3：Pr3+材料的研究现状

1.2其他的红色发光材料与SrTiO3：Pr3+

1.3 SrTiO3第一性原理模拟量化计算的研究现状

1.4本论文研究内容

第二章SrTiO3：pr3+材料的基本理论

2.1 SrTiO3：Pr3+晶体结构

2.2 SrTiO3：Pr3+红色荧光材料的制备方法

2.2.1高温固相反应

2.2.2化学共沉淀法

2.2.3燃烧法

2.2.4溶胶-凝胶法

2.2.6 SrTiO3：Pr3+薄膜的制备

2.3 SrTiO3晶体的掺杂理论

2.3.1施主离子的掺杂

2.3.2受主掺杂机理

2.4光致发光

2.4.1光致发光概念

2.4.2光致发光的能量输运

2.4.3发光材料的杂质敏化

2.5稀土离子基本理论

2.5.1稀土离子的电子跃迁

2.5.2 Pr3+的能级结构

2.4本章小结

第三章SrTiO3：Pr3+系红色发光材料的制备表征

3.1实验目的与设计方案

3.2实验药品与仪器

3.3溶胶凝胶法制备SrTiO3：Pr3+粉体的原理与实验流程

3.3.1溶胶的制备

3.3.2陈化

3.3.3干燥

3.3.4退火

3.4结果表征与讨论

3.4.1 SrTiO3：Pr3+共掺杂粉体的光致发光曲线

3.4.2 XRD与SEM

3.2 SrTiO3：Pr3+材料薄膜的制备与表征

3.2.1 SrTiO3薄膜制备流程

3.2.2薄膜的表征

3.5本章小结

第四章 SrTiO3：Pr3+系材料的第一性原理模拟研究

4.1计算理论基础简介

4.1.1密度泛函理论

4.1.2 Hohenberg-Kohn霍恩伯格-科恩定理

4.1.3Kohn-Sham(沈吕九)方程

4.1.4定域密度近似LDA(Local Spin Density Approximatioff)

4.1.5广义梯度近似(Generalized Gradient Approximation)

4.2 Matedals Studio计算软件

4.2.1 Castep模块简介

4.2.2程序运行的主要性质

4.3本论文所采用的理论模型和计算方法

4.3.1理论模型

4.3.2计算方法

4.4理想SrTiO3体系电子结构的理论研究

4.4.1能带结构

4.4.2态密度及分波态密度

4.5 Pr掺杂SrTiO3电子结构的理论研究

4.5.1能带结构

4.5.2态密度

4.6金属离子掺杂SrTiO3：Pr3+体系电子结构的理论研究

4.7 SrTiO3：Pr3+体系Mulliken布居分析

4.8 SrTiO3：Pr3+体系差分电荷密度

4.9本章小结

全文工作总结

1主要结论

2存在的问题

参考文献

在读期间发表论文

致谢