锌取代镍铁氧体-rGO杂化尖晶石的缺陷工程白光发射研究

本研究针对镍铁氧体(NiFe2O4)发光效率低、电子结构刚性等问题，通过Zn2+取代构建Ni1-xZnxFe2O4-rGO杂化材料。研究人员采用溶热法合成系列复合材料，发现Zn取代通过调控阳离子重排和晶格应变，实现2.07-2.23 eV带隙可调及宽谱可见光发射，其中NZ25F-rGO和NZ50F-rGO的CIE色坐标接近白光区域。该工作为无外源掺杂的缺陷工程白光发射材料提供了新思路。

　　

在固态照明和光电子领域，开发低成本、高效率的白光发射材料一直是研究热点。传统白光LED通常需要组合多种荧光粉或量子点，存在制备复杂、成本高昂等问题。尖晶石铁氧体虽具有结构可调、稳定性好等优势，但典型代表镍铁氧体(NiFe₂O₄)存在发光效率低、发射光谱窄的固有缺陷。如何通过材料本征改性实现宽谱发射，成为突破技术瓶颈的关键。

针对这一挑战，研究人员通过精巧的Zn²⁺离子取代策略，构建了镍锌铁氧体-还原氧化石墨烯(Ni_1-xZn_xFe₂O₄-rGO)杂化材料体系。该研究创新性地利用Zn²⁺的四面体位点偏好性（离子半径0.74 ?），诱导Fe³⁺/Fe²⁺重排并产生可控氧空位，在不引入外源掺杂的情况下，通过缺陷工程实现了从蓝到红的宽谱发射。相关工作发表在《Results in Surfaces and Interfaces》期刊。

研究采用溶热法合成系列复合材料，通过X射线衍射(P-XRD)分析晶体结构，高分辨扫描电镜(HRSEM)表征形貌分布，紫外-可见漫反射(UV-Vis DRS)测定光学带隙，光致发光(PL)光谱和CIE色坐标评估发光性能。

4. 结果与讨论
晶体结构分析
XRD证实所有样品均为单一立方尖晶石相，(311)晶面衍射峰在35.39°-35.46°区间微小偏移。Zn²⁺取代导致晶格参数在8.384-8.401 ?波动，威廉姆森-霍尔(W-H)分析显示微观应变从NZ₀F-rGO的4.69×10^-3转变为NZ₂₅F-rGO的-1.47×10^-3（压缩应变），证实阳离子重排引起的晶格畸变。

形貌与元素分布
HRSEM显示20-50 nm球形颗粒均匀锚定在褶皱rGO表面。元素面扫证实Zn²⁺梯度增加时，Fe/Ni/Zn信号共定位良好，无相分离。rGO的氧官能团（FTIR检测到1720 cm^-1羧基峰）为纳米颗粒提供成核位点。

光学特性
UV-Vis显示带隙呈非线性变化：NZ₂₅F-rGO带隙最小(2.07 eV)，归因于Zn²⁺引发的电子离域效应；而高Zn含量样品因超交换作用破坏带隙增至2.23 eV。PL光谱在400-650 nm呈现宽发射带，源自氧空位相关的 donor-acceptor pair 跃迁。

白光发射性能
CIE色坐标分析表明，NZ₂₅F-rGO和NZ₅₀F-rGO的发射最接近白光区域，其均衡的蓝-绿-红发射源自优化的缺陷浓度：Zn²⁺取代25-50%时，四面体位点的Fe³⁺向八面体迁移形成[Fe³⁺-V_O]缺陷对（V_O为氧空位），同时rGO抑制了非辐射复合。

5. 结论与意义
该研究证实Zn²⁺取代可通过本征缺陷调控实现NiFe₂O₄-rGO的白光发射，突破传统铁氧体发光效率低的限制。其创新性体现在：① 建立阳离子重排-缺陷态-发光性能的构效关系；② 实现2.07-2.23 eV带隙精确调控；③ 开发出成本仅为传统稀土荧光粉1/10的替代材料。这项工作为缺陷工程在光电材料中的应用提供了范式，相关杂化体系在柔性显示、生物成像等领域具有应用潜力。