稀土元素Eu3+ 掺杂位点与交换关联能U调控对Ca2 SnO4 光电及机械性能的影响研究

为开发高性能荧光粉转换白光LED（WLEDs），研究人员通过密度泛函理论（DFT）系统研究了Eu3+ 在Ca2 SnO4 中不同位点掺杂（Ca2-x Eux SnO4 和Ca2 Sn1-x Eux O4 ）及交换关联能U对其光电、机械性能的影响。结果表明，该材料具有低弹性各向异性、高德拜温度及优异反射/吸收特性，为热障涂层和光学器件设计提供了理论依据。

　　

在光电子技术飞速发展的今天，高效稳定的荧光材料是推动固态照明和显示技术革新的核心。然而，传统荧光粉存在效率不足、稳定性差等问题，而稀土掺杂的碱土锡酸盐（如Ca₂
SnO₄
）因其独特的层状结构和可调谐发光特性成为研究热点。尤其Eu³⁺
掺杂可显著调控材料的电子跃迁行为，但其掺杂位点（Ca或Sn位）与交换关联能（U）对材料性能的协同影响机制尚不明确。为此，Shah Hussain等研究人员通过第一性原理计算，系统揭示了Eu^{3+
掺杂位点与U值对Ca₂
SnO₄
结构稳定性、力学性能及光电响应的调控规律，相关成果发表于《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》。}

研究采用密度泛函理论（DFT）框架下的GGA+U方法，构建2×2×2超胞模型，分别模拟Eu³⁺
取代Ca位（Ca_2-x
Eu_x
SnO₄
）和Sn位（Ca₂
Sn_1-x
Eu_x
O₄
）的原子构型，通过WIEN2k软件进行几何优化和性质计算，结合声子谱分析验证动力学稳定性。

结构特性：几何优化显示掺杂后晶格参数与实验值高度吻合，声子谱无虚频证实结构稳定性。
力学性能：弹性常数计算表明材料具有低各向异性（各向异性指数<0.1）、高延展性（泊松比>0.25）及优异机械加工性，维氏硬度达15 GPa以上，适合热障涂层应用。
电子行为：能带结构显示金属性特征（无带隙），态密度分析证实Eu的4f电子主导费米面附近电子态，导致强光学响应。
光学性能：反射率在紫外区达90%，可见光区吸收系数超过10⁵
cm^-1
，表明其在抗反射涂层和光探测器中的潜力。

该研究首次阐明Eu³⁺
掺杂位点与U值对Ca₂
SnO₄
多尺度性能的调控机制，不仅为设计高性能WLEDs荧光粉提供了理论模型，其揭示的高熔点（>2000 K）和缺陷容忍特性，还拓展了材料在极端环境电子器件中的应用前景。后续研究可结合实验验证压力依赖的超导特性，进一步挖掘其量子功能潜力。