水相合成稳定Pb(OH)Br:Cu红色荧光粉及其发光机理的DFT研究

针对传统有机溶剂合成红色荧光粉存在的环境危害及稳定性差等问题，研究人员创新性地采用水热法合成Pb(OH)Br:Cu红色荧光粉。通过DFT计算揭示Cu+掺杂引入缺陷能级并缩小带隙的发光机制，材料在乙醇和去离子水中浸泡10天后仍保持稳定发光强度。该研究为高性能荧光粉的绿色制备提供了新范式。

　　

在光电材料领域，红色荧光粉因其在生物成像、植物补光和固态照明中的特殊应用而备受关注。然而传统合成工艺依赖DMF、乙腈等有毒有机溶剂，不仅危害环境，所得材料在潮湿环境中性能急剧衰减的问题更制约其实际应用。铅羟基卤化物Pb(OH)Br因其独特的稳定性被视为理想基材，但本征发光性能微弱的问题亟待解决。

北部湾大学广西绿色化工材料与安全技术重点实验室的研究团队在《Optical Materials》发表突破性成果。他们摒弃传统有机溶剂，首创水相合成Pb(OH)Br:Cu红色荧光粉的绿色工艺。通过调控水热反应温度与时间，获得具有规则形貌的晶体材料。密度泛函理论(DFT)计算表明，Cu⁺掺杂在材料中引入缺陷能级，使带隙宽度显著降低至2.25eV，实现紫外光激发下的强红光发射（峰值波长630nm）。稳定性测试显示，该材料在乙醇和去离子水中浸泡10天后发光强度衰减不足5%，远超传统有机溶剂法制备的荧光粉。

研究采用水热合成结合第一性原理计算的多尺度研究方法。通过X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)确认晶体结构及Cu⁺的掺杂状态，扫描电镜(SEM)观测显示产物为尺寸均一的六方棱柱结构。紫外-可见漫反射光谱测定带隙变化，光致发光光谱(PL)定量分析发光性能。DFT计算采用VASP软件包，基于投影缀加波(PAW)方法模拟电子结构。

【合成与形貌表征】部分证实，水热法在180℃反应12小时可获得纯相Pb(OH)Br:Cu，晶体呈现典型的六方对称性生长特征。与有机溶剂法相比，水相合成的晶体尺寸分布更集中，平均长度5μm，直径800nm。【光学性能研究】显示掺杂后材料带隙从3.1eV降至2.25eV，在365nm紫外光激发下产生CIE坐标(0.652,0.338)的高纯度红光，量子效率达78%。【稳定性测试】通过加速老化实验证明，材料在极性溶剂中浸泡后仍保持初始发光强度的95%以上，XRD谱图未出现杂质峰。

DFT计算在【发光机理】部分揭示，Cu⁺取代Pb²⁺位点后，在价带顶上方0.7eV处形成受主能级，同时导带底下方1.2eV处出现施主能级。这种独特的缺陷能级结构促使电子发生从Cu-3d轨道到Br-4p轨道的辐射复合跃迁，产生特征红光。研究还发现[PbBr₆]^4-八面体的结构畸变对增强发光强度具有关键作用。

该研究开创了无有机溶剂参与的高稳定性荧光粉制备新路径，其材料性能超越传统方法制备的同类产品。理论计算与实验结果的相互印证，为功能性掺杂半导体材料的理性设计提供了范例。研究成果对发展环境友好型光电材料具有重要指导意义，相关技术已申请中国发明专利。