稀土元素豐富的電子軌道賦予其優(yōu)異的發(fā)光性能，其中，Eu(II)憑借高效的5d-4f躍遷發(fā)光，廣泛應(yīng)用在照明、顯示、傳感等領(lǐng)域，但Eu(II)在絕大多數(shù)摻雜基質(zhì)中的發(fā)射波長(zhǎng)主要位于可見光區(qū)域（400 ~ 700 nm），且現(xiàn)有的Eu(II)摻雜的近紅外熒光材料發(fā)光效率較低（如發(fā)射波長(zhǎng)740 nm時(shí)，量子效率僅為15%），限制了其在近紅外監(jiān)測(cè)和傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用。經(jīng)典發(fā)光理論認(rèn)為Eu(II) 5d-4f的發(fā)射波長(zhǎng)主要與其摻雜基質(zhì)的局域配位結(jié)構(gòu)有關(guān)，研制Eu(II)摻雜的高效近紅外熒光材料的關(guān)鍵在于挖掘合適的基質(zhì)材料，但傳統(tǒng)試錯(cuò)法發(fā)現(xiàn)新材料的效率低下。
圖1：Eu(II)發(fā)射波長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型（左）和高通量篩選近紅外熒光材料基質(zhì)（右）
針對(duì)這一難題，本研究結(jié)合經(jīng)典發(fā)光理論和材料大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，建立了Eu(II)發(fā)射波長(zhǎng)與摻雜基質(zhì)的化學(xué)組成、局域配位結(jié)構(gòu)、電子能帶結(jié)構(gòu)相關(guān)的6個(gè)參數(shù)的定量關(guān)系，獲得了預(yù)測(cè)Eu(II)發(fā)射波長(zhǎng)的物理模型（預(yù)測(cè)誤差<7 nm）。利用該理論預(yù)測(cè)模型與高通量計(jì)算相集合，從無(wú)機(jī)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)中成功篩選出5個(gè)近紅外熒光材料基質(zhì)，并獲得實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從而發(fā)現(xiàn)了迄今為止發(fā)射波長(zhǎng)最長(zhǎng)的Eu(II)摻雜的近紅外熒光材料，即(Sr,Ba)3Li4Si2N6:Eu(II)，其發(fā)射波長(zhǎng)為830 nm，藍(lán)光激發(fā)下的量子效率為30%。最后，展示了該材料在虹膜識(shí)別、監(jiān)測(cè)和支付系統(tǒng)（810-830 nm）中的潛在應(yīng)用。本研究突破了基于現(xiàn)象學(xué)發(fā)光理論和第一性原理預(yù)測(cè)發(fā)射波長(zhǎng)時(shí)存在的計(jì)算成本高、周期長(zhǎng)、誤差較大等瓶頸問題，通過(guò)建立發(fā)射波長(zhǎng)的預(yù)測(cè)模型，并與高通量計(jì)算篩選結(jié)合，不僅拓展了傳統(tǒng)發(fā)光學(xué)理論，還為定向設(shè)計(jì)新型發(fā)光材料和理解發(fā)光性能提供了新方法。
本研究工作由廈門大學(xué)和加州大學(xué)合作完成。廈門大學(xué)青年教師李淑星和加州大學(xué)Mahdi Amachraa博士為論文第一作者，廈門大學(xué)解榮軍教授、加州大學(xué)王振斌博士和Shyue Ping Ong教授為論文通訊作者。共同作者還包括中國(guó)計(jì)量大學(xué)王樂教授和加州大學(xué)Chi Chen博士。重慶郵電大學(xué)馬崇庚教授為本工作提供了指導(dǎo)和建議。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)51832005）等資助。
論文信息：Li et al., Efficient near-infrared phosphors discovered by parametrizing the Eu(II) 5d-to-4f energy gap, Matter (2022), https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.04.009
