由于長余輝和光激勵發光材料具備獨特的能量存儲及可控釋放特性，在高分辨成像、柔性X射線探測器、多維信息存儲與加密防偽等領域頗具應用前景。這類材料一般由基質晶格、發光中心和陷阱捕獲中心組成。其中，長余輝材料的陷阱較淺，所捕獲的載流子在室溫下自發釋放；光激勵材料的陷阱相對較深，需要光刺激釋放出深陷阱中所存儲的載流子。同時，陷阱的分布難以調控。目前，關于這兩類材料的研究主要局限于單一發光類型以及有限的發光波段。鮮有關于在同一基質材料中實現多色的長余輝及光激勵發光的報道，阻礙了相關多功能熒光粉的應用拓展。
 

　　中國科學院福建物質結構研究所和閩都創新實驗室陳學元團隊研究員涂大濤，聯合福建農林大學，通過在Cs2NaGdF6氟化物雙鈣鈦礦材料中引入稀土離子作為發光中心及空穴捕獲中心，開發了一類具備深、淺陷阱的新型高效氟化物熒光粉。該工作基于稀土離子獨特的能級結構，對陷阱的分布進行了有效調控，首次同時實現了X射線激發的全光譜多色可調的長余輝及光激勵發光(如圖)。該研究所開發的熒光粉在停止X射線激發后，余輝時間可長達一周，且發光波段可從紫外調控到近紅外II區。此外，在停止激發150小時后，在980 nm波長光激發后，材料展現出優異的光激勵發光，這表明其長時間的能量存儲能力。
 

　　該研究通過實驗表征和電子結構計算分析，揭示了材料的電子陷阱來源于氟空位，而稀土離子摻雜引發晶體場變化，影響氟空位形成。同時，結合稀土離子在基質材料中的能級位置，該研究證明了稀土離子作為空穴捕獲中心。研究顯示，不同稀土離子的空穴捕獲能力不同，進而表現出不同的長余輝性能。基于稀土摻雜Cs2NaGdF6熒光粉的多色發光特性，該團隊將其制成柔性耐水薄膜，展示了其多色長余輝發光(PersL)、光激勵發光(PSL)以及熱激勵發光(TSL)特性，證明了該材料在多重防偽應用等方面的應用潛力。
 

　　該工作通過引入稀土離子作為發光中心和陷阱捕獲中心，在同一基質材料中實現了紫外-近紅外II區全光譜可調的長余輝及光激勵多色發光，為電子捕獲材料的設計開辟了新思路，并為多功能熒光粉的開發應用奠定了理論基礎和實驗基礎。
 

　　相關研究成果以Engineering Trap Distribution to Achieve Multicolor Persistent and Photostimulated Luminescence from Ultraviolet to Near-Infrared-II為題，發表在《物質》(Matter)上。研究工作得到國家重點研發計劃稀土新材料專項、國家自然科學基金和福建省基金等的支持。
 

　　此前，陳學元團隊在稀土摻雜鈣鈦礦材料的光學性能設計方面取得了系列重要進展：通過局域電子結構調控，在Cs2NaInCl6中基于Cl--Yb3+荷移躍遷敏化，實現了高效的稀土離子近紅外發光；通過Na/Ag合金化策略，在Cs2AgBiCl6雙鈣鈦礦材料中增強了Yb3+和Er3+的近紅外發光；通過Te4+和稀土離子共摻實現Cs2ZnCl6空位有序型雙鈣鈦礦的高效近紅外發光。
 

稀土離子摻雜Cs2NaGdF6的陷阱調控、多色余輝發光機理與應用示意圖