固体材料中类溶剂化动力学过程：Eu3+离子掺杂纳米微晶光谱特性的研究

摘要

光学特性是稀土离子的主要特性，在晶体中稀土离子的光谱主要来自4fN组态电子的跃迁。4fN组态的电子一方面受4fN-15d组态电子的屏蔽，另一方面在晶体中又强烈地受晶体场环境的影响。正因为如此，稀土离子展现出有趣的光谱特性，尤其是Stark劈裂和红移。本文首次建立了固体材料中类溶剂化动力学模型来研究晶格场如何调制光谱特性。利用Eu3+离子作为荧光探针，采用“热诱导-腐蚀”法制备了Eu3+掺β-PbF2和BaF2的纳米微晶。通过光谱研究、结构分析、电荷密度分布模拟证明了类溶剂化模型的合理性。
　　在类溶剂化动力学模型中，晶格场被认为是一种静电场而促使稀土离子的电荷密度重新分布。通过光激发，中心离子的电偶极矩扩大导致整体系统的静电场不平衡。中心离子的电荷密度重新分布来调整晶格场平衡。调整过程中，电子云畸变导致能级劈裂和漂移。静电场的方向和大小分别决定了电子云畸变的形状和电子云大小，进一步决定了光谱的Stark劈裂和峰位偏移。特别指出的是，β-PbF2:Eu3+和 BaF2:Eu3+的电荷密度分布模拟图表明电子云畸变只发生在Eu3+上而不是周围配位离子上。这就证明类溶剂化动力学也是依靠中心离子的电子云密度分布来完成的。
　　基于点电荷静电场模型，计算出了晶格场的方向和强度。相同的晶格场方向导致电子云畸变形状相同，所以引起了相同Stark劈裂数目。较强的静电场导致电子云分布范围较大，导致发射光谱红移。类溶剂化动力学模型考虑了电荷密度分布的中间媒介作用，即可以通过施加外加电场或调整基质结构来调整电荷密度分布，进而调制光谱特性。类溶剂化动力学模型解释了晶格场如何来影响光谱特性，并拓宽了稀土离子的应用范围。

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第一章 绪论

第一节 掺稀土纳米微晶内晶体场效应的研究背景

第二节 溶剂化动力学的研究背景

第三节 本文研究的目的和意义

第二章 掺稀土氟化物纳米微晶的制备、表征及理论模拟

第一节 掺稀土氟化物纳米晶材料的制备

第二节 实验表征方法的描述

第三节 理论模拟方法的介绍

第四节 本章小结

第三章 稀土离子掺杂纳米微晶中的类溶剂化动力学过程

第一节 β-PbF2:Eu3+和BaF2:Eu3+纳米微晶光谱特性

第二节 稀土掺杂纳米微晶的晶体场特性

第三节 类溶剂化动力学模型对稀土离子光谱特性的影响

第四节 基于电荷密度分布讨论类溶剂化动力学模型的合理性

第五节 晶格场对光谱特性调制的普适性讨论

第六节 本章小结

第四章 晶格场对光谱特性调制的理论分析

第一节 矢量晶格场的表征方法

第二节 β-PbF2:Eu3+和BaF2:Eu3+中矢量晶格场方向和强度的表征

第三节 本章小结

第五章 总结与展望

第一节 全文总结

第二节 展望

附录

附录A：高温炉参数说明及使用步骤

附录B：高温炉使用步骤

附录C：使用积分球测吸收光谱的方法

附录D：Word中特殊字符的输入方法

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果