本征缺陷对ZnGa2O4：Mn发光性质的影响

论文摘要

长余辉材料是一种在光激发停止后仍可持续发光的特殊光致发光材料,主要应用于安全照明和生物医学检测等领域。本文围绕本征缺陷在Mn掺杂ZnGa2O4体系中可能起到的作用,对ZnGa2O4基质材料的自激活发光、Mn离子掺杂机理和长余辉发光现象展开深入研究。第一章,我们对长余辉材料的用途、类型和发光机理作简单介绍;随后对ZnGa2O4体系的结构特征和它在国内外的研究现状作了基本阐述;最后引出本文的主要研究内容和方法。第二章,我们主要介绍了基于密度泛函理论的第一性原理方法和概念,以及本文工作所采用的的计算软件。第三章,我们计算了ZnGa2O4纯相的电子结构和热力学稳定相图,再针对各缺陷体系计算了它们的形成能和转变能级,对它们的电子结构和光学性质进行了进一步地分析。结果表明,ZnGa2O4体系中价带和导带的主要贡献来自于氧原子的2p轨道、锌原子的3d轨道和镓原子的3d、4s轨道。ZnGa2O4体系中狭窄细长的热力学稳定区域能够大范围地调节各缺陷的浓度,其中以这四种本征缺陷VO,GaZn,ZnGa和VZn在ZnGa2O4缺陷体系中起主导作用。转变能级计算则明确了VO,GaZn,ZnGa和VZn四种缺陷能级在禁带中的位置,而电子态密度和光学性质的计算佐证了转变能级计算的合理性。最后,我们结合理论与实验结果,模拟了ZnGa2O4的自激活发光过程。第四章,我们通过计算Mn缺陷的形成能,发现在贫Mn环境下,Mn元素随μO的变化可分别掺入四面体或八面体位;而富Mn环境下,Mn元素主要进入四面体位。随后阐述了在存有ZnGa缺陷的ZnGa2O4体系中,Mn离子更易取代Zn离子进入ZnGa2O4的八面体位。以二价Mn离子的Mntet缺陷为例,针对各复合缺陷的结合能情况,发现施主缺陷不易与Mntet结合,而受主缺陷VZn和ZnGa则会明显扭曲[MnO4]四面体,说明受主缺陷的确会对Mn2+发光中心有一定的影响。最后,结合ZnGa2O4:Mn和各复合缺陷所对应的的电子结构与ZnGa2O4:Mn样品的发光测试中的近红外发光现象进行讨论,阐述了电子受晶体场影响,在3d能级间跃迁并伴随发光的过程。我们在本文中强调了本征缺陷在ZnGa2O4体系中对它的发光性质和掺杂性质均起到了重要作用。最后,我们将ZnGa2O4体系的自激活发光过程与Mn离子发光过程结合,关注缺陷与发光中心间相互作用的机制,模拟了本征缺陷是如何延长ZnGa2O4:Mn的余辉发光过程。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 长余辉发光材料
• 2O₄ 材料'>  1.3 ZnGa₂O₄材料
•   1.4 本课题的研究意义和内容
• 第二章 计算方法
•   2.1 引言
•   2.2 第一性原理计算概述
•   2.3 密度泛函理论概述
•   2.4 第一性原理计算软件VASP
• 2O₄ 自激活发光性质的影响'>第三章 本征缺陷对ZnGa₂O₄自激活发光性质的影响
•   3.1 引言
•   3.2 计算细节
• 2O₄ 晶体结构与电子结构分析'>  3.3 ZnGa₂O₄晶体结构与电子结构分析
• 2O₄ 相图与缺陷形成能'>  3.4 ZnGa₂O₄相图与缺陷形成能
•   3.5 转变能级与自激活发光
•   3.6 本章小结
• 第四章 本征缺陷对Mn掺杂稳定性和发光性质的影响
•   4.1 引言
•   4.2 计算细节与实验细节
•   4.3 本征缺陷对Mn掺杂的影响
•   4.4 锰离子发光现象
• 2O₄:Mn的长余辉过程'>  4.5 ZnGa₂O₄:Mn的长余辉过程
•   4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王云鹏

导师: 赵宇军

关键词: 长余辉材料,第一性原理,本征缺陷,掺杂

来源: 华南理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,有机化工

单位: 华南理工大学

分类号: TQ422;O482.31

DOI: 10.27151/d.cnki.ghnlu.2019.001027

总页数: 69

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