人口增長及城市化進(jìn)程刺激了人們對照明的需求，而日益迫近的能源危機(jī)則為人們使用光帶來了重重挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計，全球照明用電占到總用電量的20%左右，我國照明用電量約占總發(fā)電量的13%，因此照明一直是國內(nèi)外節(jié)能低碳的重點領(lǐng)域之一。近期，鄭州大學(xué)研究團(tuán)隊在綠色照明相關(guān)領(lǐng)域取得最新進(jìn)展，研究成果登上國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Nano Letters，并被選為該期的封面（Cover）。

據(jù)世界照明用電統(tǒng)計，在我國，電力照明能源消耗已占到平均家庭能源預(yù)算的25%。因此，在全球能源危機(jī)、節(jié)能環(huán)保等要求不斷提高的大背景下，發(fā)展綠色、高效、低成本、長壽命的固態(tài)照明技術(shù)無疑具有重要的科學(xué)意義和實用價值。

目前，制備白光固態(tài)光源最常用的策略是采用藍(lán)色LED激發(fā)釔鋁石榴石熒光粉，從而產(chǎn)生復(fù)合白光。但該方法制備的白光照明光源顯色指數(shù)偏低，無法滿足高端照明的應(yīng)用需求，而且熒光粉中含有較為昂貴的戰(zhàn)略稀土元素。基于紫外光泵浦的三基色熒光粉制備的白光LED盡管可以解決顯色指數(shù)過低的難題，但各色熒光粉的自吸收和復(fù)雜的制備工藝對器件制造成本和穩(wěn)定性帶來了新的挑戰(zhàn)。

在此背景下，開發(fā)單一組分的白光發(fā)射體是解決上述問題的關(guān)鍵。然而，迄今為止，實驗探索的具有白光發(fā)射特征的熒光材料較少，且在高顯色、高穩(wěn)定白光LED的制備與應(yīng)用方面仍有待突破。

近期，有研究人員發(fā)現(xiàn)具有強(qiáng)電子-聲子耦合的ns2金屬離子基鹵化物可以形成自陷態(tài)激子，從而產(chǎn)生高效的寬帶光發(fā)射。在眾多ns2金屬離子中，具有獨特單重態(tài)和三重態(tài)激子的Sb3+離子在不同的晶體場環(huán)境下表現(xiàn)出藍(lán)光和橙光發(fā)射?？紤]到ns2離子發(fā)射對晶體場環(huán)境的強(qiáng)烈依賴性，選擇合適的主體材料有望實現(xiàn)Sb3+離子雙波段發(fā)射的產(chǎn)生，從而在室溫下獲得復(fù)合白光。

鑒于此，鄭州大學(xué)物理學(xué)院（微電子學(xué)院）的研究人員以空位有序雙鈣鈦礦Cs2ZrCl6為主體，采用簡便的離子摻雜技術(shù)在室溫下大規(guī)模合成了單組分白光發(fā)射的Cs2ZrCl6:xSb (x = 0?8%)，并成功將其應(yīng)用于固態(tài)照明領(lǐng)域。

通過將具有5s2活性的Sb3+離子引入熱力學(xué)穩(wěn)定的Cs2ZrCl6主體中，其特殊的晶體場環(huán)境激發(fā)了源自Sb3+離子的單重態(tài)和三重態(tài)雙波段發(fā)射（[email protected]藍(lán)光、[email protected]橙光）。由于單重態(tài)和三重態(tài)之間存在有效的能量轉(zhuǎn)移通道，因此可以通過控制Sb3+離子摻雜濃度量化單重態(tài)到三重態(tài)之間的能量轉(zhuǎn)移程度，利用二者的相對強(qiáng)度變化實現(xiàn)冷暖白光可調(diào)。在1.5%的Sb3+離子摻雜濃度下，材料呈現(xiàn)出高品質(zhì)的白光發(fā)射，顯色指數(shù)高達(dá)96。

進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，以Cs2ZrCl6:1.5%Sb作為下轉(zhuǎn)換熒光粉，所制備的白光LED展現(xiàn)出2003小時的工作壽命。上述研究成果為了高顯色、高穩(wěn)定單組分白光發(fā)射體的設(shè)計與制備提供了新的思路。

近日，以上研究成果以“Regulating the Singlet and Triplet Emission of Sb3+Ions to Achieve Single-Component White-Light Emitter with Record High Color-Rendering Index and Stability”為題發(fā)表于Nano Letters上。該論文第一作者為鄭州大學(xué)物理學(xué)院2020級博士研究生張飛，通訊作者為學(xué)院史志鋒教授和單崇新教授。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家高層次人才特殊支持計劃、河南省杰出青年科學(xué)基金和鄭州大學(xué)杰出青年人才創(chuàng)新團(tuán)隊計劃的支持。

拓展閱讀：

鄭州大學(xué)物理學(xué)院（微電子學(xué)院）前身是始建于1956年的原鄭州大學(xué)物理系，我國宇宙線物理研究先驅(qū)、曾擔(dān)任清華大學(xué)物理系主任的霍秉權(quán)先生是首任系主任。2019年學(xué)院更名為物理學(xué)院（微電子學(xué)院）。學(xué)院物理學(xué)專業(yè)是河南省首批名牌建設(shè)專業(yè)、國家特色專業(yè)、國家專業(yè)綜合改革試點專業(yè)、首批國家級一流本科專業(yè)，也是教育部、中國科學(xué)院“科教結(jié)合協(xié)同育人行動計劃”的聯(lián)合培養(yǎng)專業(yè)。近年來與中科院高能所、蘭州近代物理所、上海光機(jī)所等單位聯(lián)合開辦“錢三強(qiáng)英才班”“尚光菁英班”等。

學(xué)院擁有1個國家重點學(xué)科：凝聚態(tài)物理；3個河南省重點學(xué)科：物理學(xué)、核科學(xué)與技術(shù)、儀器科學(xué)與技術(shù)；擁有物理學(xué)博士后流動站，物理學(xué)一級博士授權(quán)點，材料物理與化學(xué)二級博士授權(quán)點；物理學(xué)、核科學(xué)與技術(shù)、儀器科學(xué)與技術(shù)和光學(xué)工程4個一級碩士授權(quán)點；生物物理、材料物理與化學(xué)、物理電子學(xué)3個二級碩士授權(quán)點。

歡迎關(guān)注“鄭州大學(xué)招生辦公室”頭條號，獲取關(guān)于國家“211工程”重點建設(shè)高校、“雙一流”建設(shè)高?！嵵荽髮W(xué)的精彩資訊！

本文部分素材來源：鄭州大學(xué)物理學(xué)院（微電子學(xué)院）、鄭大招生、中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院資環(huán)分院等