Bi3+与外部自捕获激子之间的协同效应，有助于实现层状Sr3Sc2O5Cl2材料中的有效多色发光

《Journal of Alloys and Compounds》：Synergistic effect of Bi3+ and extrinsic self-trapped excitons towards effective polychromatic luminescence in layered Sr 3Sc 2O 5Cl 2

本研究采用高温固相法制备了Bi3+掺杂的层状Ruddlesden-Popper氧氯化物Sr3Sc2O5Cl2，其宽带黄绿发光（510 nm）内量子效率达90.5%。通过调控激发波长，实现了从青色到橙黄色的连续发光调谐，并验证了其在高显色白LED和动态光学加密系统中的应用潜力。

　　在当今科技快速发展的背景下，高效、可调的发光材料成为推动新一代照明技术和高安全性防伪系统的重要组成部分。特别是在近紫外激发的白光LED（WLED）和动态色彩加密领域，开发具有优异颜色再现指数（Ra）和防伪效果的黄绿色荧光粉具有重要的应用价值。本研究聚焦于一种新型的层状 Ruddlesden-Popper 氧氯化物 Sr?Sc?O?Cl?，并通过掺杂 Bi3? 来调控其发光特性，成功实现了黄绿色荧光的高效发射和颜色可调性。

黄绿色荧光材料在白光LED中扮演着关键角色，因为它能够有效补充蓝光和红光，从而提升整体的颜色质量。然而，传统的荧光粉在实现宽光谱发射和高颜色再现指数方面仍存在诸多挑战。为了解决这一问题，研究人员开发了一种单相多色发光材料，这类材料能够通过对外界刺激（如温度、光、压力等）的响应，动态地指示环境变化，从而在LED照明、温度传感、防伪技术和光学加密等领域展现出广泛的应用前景。然而，多色发光材料通常需要掺杂多种激活剂，这种复杂的掺杂过程往往导致材料的发光效率下降，同时限制了其在实际应用中的可行性。

为了克服这些限制，一些研究者开始关注卤化物基材料，因为它们能够通过高效的自捕获激子（STEs）发射实现优异的发光性能。然而，卤化物材料在环境稳定性方面存在明显的不足，这在很大程度上阻碍了其在实际应用中的推广。因此，研究人员将目光投向了氧氯化物材料，这类材料结合了氧和氯的特性，不仅具有丰富的结构和电子特性，还能在发光材料中展现出良好的应用潜力。特别是在 Ruddlesden-Popper 结构的氧氯化物中，如 A?B?O?Cl?（A = Sr, Ba；B = Sc, Y）这一类新型材料，通过稀土离子的掺杂可以实现多种颜色的发光，这使其成为开发高性能荧光粉的理想选择。

在本研究中，我们选择了一种具有 Ruddlesden-Popper 结构的氧氯化物 Sr?Sc?O?Cl?，并通过掺杂 Bi3? 来研究其发光性能的变化。Bi3? 离子因其对多种晶体结构的敏感性，以及其在可见光和近红外波段的广泛发光能力，被广泛认为是一种具有潜力的发光激活剂。此外，Bi3? 还可以作为敏化剂，将吸收的紫外（UV）或近紫外（n-UV）能量转移到其他激活剂，从而实现更丰富的发光特性。基于这一特性，Bi3?-激活的材料在白光LED、防伪技术和持久发光系统中得到了广泛应用。

为了实现高效的发光性能，我们采用了一种传统的高温固相反应法来合成 Sr?Sc?O?Cl? 磷光体，并通过掺杂 Bi3? 来调控其发光行为。通过结构表征、能带结构分析和光谱研究，我们发现 Sr?Sc?O?Cl? 的自激活发光来源于外部自捕获激子。当 Bi3? 被引入 Sc3? 晶格位点后，Bi3? 的 s-p 电子跃迁与材料的自激活中心之间形成了协同作用，从而显著增强了黄绿色发光的强度。与原始基质相比，掺杂 Bi3? 的 Sr?Sc?O?Cl?:Bi3? 在 325 nm 激发下实现了 30 倍的光致发光强度提升，其内部量子效率（IQE）达到了 90.5%。

值得注意的是，这种材料不仅在发光强度上表现出色，其发光颜色还可以通过激发波长的调控实现从青色到橙黄色的连续变化。这种多色发光特性源于材料中存在两种不同的发光中心，它们对激发波长的响应具有显著差异。这种特性使得 Sr?Sc?O?Cl?:Bi3? 在磷光体转换白光LED（pc-WLEDs）和防伪技术中展现出巨大的应用潜力。通过实验验证，该材料能够实现高颜色再现指数的白光（Ra = 96），同时其独特的发光特性也使其在动态色彩加密方面具有重要价值。

此外，Bi3? 在材料中的作用不仅限于发光中心的形成，它还能够与材料中的内在缺陷相互作用，从而进一步优化发光性能。例如，某些材料中的锌空位可以调节 Bi3? 的热猝灭性能，而氧空位则能够影响 Bi3? 的发光颜色。这些内在缺陷的存在，使得 Bi3?-激活材料在发光性能上具有更高的灵活性和可控性。然而，目前对于 Bi3? 在氧氯化物材料中的发光行为的研究仍然较为有限，尤其是在具有 Ruddlesden-Popper 结构的材料中。因此，深入研究 Bi3? 与材料内部缺陷之间的相互作用，对于开发新型高性能荧光粉具有重要意义。

在实验过程中，我们对 Sr?Sc?O?Cl?:Bi3? 的结构和发光特性进行了系统研究。首先，我们通过高温固相反应法合成了该材料，并对其进行了详细的结构表征。结果显示，该材料具有典型的 Ruddlesden-Popper 结构，属于四方晶系的 I4/nmm 空间群。这种结构由交替的钙钛矿层和岩盐层组成，形成了独特的晶体环境，有助于实现高效的发光性能。进一步的能带结构分析表明，该材料的自激活发光来源于外部自捕获激子，而 Bi3? 的引入则显著增强了黄绿色发光的强度。

在光谱研究方面，我们发现 Sr?Sc?O?Cl?:Bi3? 在 325 nm 激发下表现出宽带发射，中心波长位于 510 nm 处。这种宽带发射特性使得该材料在白光LED中能够提供更丰富的光谱成分，从而提升颜色再现指数。同时，Bi3? 的掺杂使得材料的激发和发射光谱得到了显著扩展，这表明其在光谱调控方面具有良好的潜力。此外，我们还发现该材料在不同激发波长下的发光颜色发生了明显变化，这种现象为实现动态色彩加密提供了可能。

通过实验验证，我们发现 Sr?Sc?O?Cl?:Bi3? 在实际应用中表现出优异的性能。首先，它能够实现高颜色再现指数的白光，这对于高质量的照明设备至关重要。其次，其发光特性可以通过激发波长的调控实现颜色的连续变化，这使得它在多色发光和光学加密领域具有广泛的应用前景。最后，该材料在发光强度和量子效率方面的表现也表明其在实际应用中具有较高的可行性。

在材料合成过程中，我们采用了传统的高温固相反应法，这一方法具有操作简便、成本低廉等优点，非常适合大规模生产。为了确保材料的合成质量，我们按照化学计量比精确称量了 SrCO?、SrCl?·6H?O、Sc?O?、Bi?O? 和 Eu?O? 等原料，并将其充分混合。随后，将混合物在高温下进行烧结，使其形成所需的晶体结构。在烧结过程中，我们通过调控温度和时间来优化材料的性能，确保其具有良好的发光效率和稳定性。

在材料的结构表征方面，我们采用了多种先进的技术手段，包括X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等。这些技术帮助我们确认了材料的晶体结构，并观察到了其微观形貌。通过XRD分析，我们发现该材料的晶体结构符合 Ruddlesden-Popper 模型，表明其具有良好的结构有序性。而SEM和TEM图像则进一步证实了材料的均匀性和结晶质量，为后续的光谱研究提供了可靠的基础。

在光谱研究方面，我们使用了紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）、荧光光谱（PL）和光致发光光谱（PL）等技术，对材料的发光特性进行了全面分析。通过这些技术，我们不仅确认了材料的发光中心，还研究了其发光机制。例如，我们发现 Bi3? 的 s-p 电子跃迁与材料的自激活中心之间存在协同作用，这种协同作用显著增强了黄绿色发光的强度。此外，我们还观察到该材料在不同激发波长下的发光颜色变化，这表明其具有良好的光谱可调性。

在发光机制方面，我们结合了结构表征和第一性原理计算，深入探讨了 Bi3? 在 Sr?Sc?O?Cl? 晶格中的作用。通过第一性原理计算，我们发现 Bi3? 的掺杂改变了材料的电子结构，使其能够更有效地吸收和发射光。同时，Bi3? 与材料中内在缺陷的相互作用进一步优化了其发光性能，这种相互作用可能是实现高效发光的关键因素之一。

此外，我们还研究了该材料在不同环境条件下的稳定性，包括温度、湿度和光照等因素。实验结果表明，Sr?Sc?O?Cl?:Bi3? 在这些条件下仍然能够保持良好的发光性能，这表明其在实际应用中具有较高的稳定性。这种稳定性对于白光LED和防伪技术的应用尤为重要，因为这些应用通常需要材料在复杂环境中保持一致的性能。

在应用方面，Sr?Sc?O?Cl?:Bi3? 的发光特性使其在多个领域展现出广阔的应用前景。首先，在白光LED领域，该材料能够通过高效的黄绿色发光，提升白光的颜色质量，从而实现高颜色再现指数的白光。这对于需要高质量照明的场景，如室内照明、舞台灯光和医疗照明等，具有重要意义。其次，在防伪技术领域，该材料的多色发光特性可以通过激发波长的调控实现动态色彩加密，这种技术能够有效防止伪造和篡改，提高产品的安全性。此外，该材料的高发光效率和稳定性也使其在持久发光系统中具有应用潜力，可以用于夜间照明、安全标识和生物医学成像等领域。

总的来说，本研究成功开发了一种具有优异发光性能的 Ruddlesden-Popper 氧氯化物 Sr?Sc?O?Cl?:Bi3?，并揭示了其发光机制。通过掺杂 Bi3?，该材料不仅实现了高效的黄绿色发光，还表现出良好的光谱可调性。这些特性使其在白光LED和防伪技术中具有重要的应用价值。未来，随着对 Bi3? 在氧氯化物材料中发光行为的进一步研究，可能会发现更多优化材料性能的方法，从而推动高性能发光材料的发展。