镧系离子的电荷转移能研究

镧系掺杂功能材料广泛应用于发光、催化、磁光、热电等多个领域,所有这些特性均与材料中镧系元素的电子行为密切相关。镧系掺杂离子在基质电子结构中的4f能级位置是表征材料性能的重要参数之一,而镧系离子在基质中的电荷转移能可以用来确定该性能参数。因此,提出一种简单有效的方法确定电荷转移能值进而确定镧系离子在材料电子结构中的能级位置具有非常重要的意义。镧系离子的电荷转移能是基质晶体价带中电子受激发跃迁到空的或未填满的镧系离子4f壳层所需的最小能量。电荷转移跃迁反映的是电子得失的过程,而电负性正是描述原子、离子或基团得失电子能力的基本参数,是连接材料微观结构与宏观性质的桥梁,并己成功应用于材料的多种性能研究和新材料设计工作中。从电负性的角度出发可以从根本上理解、解释以及预测镧系离子在无机晶体中的电荷转移能。本论文基于离子电负性,分析研究了镧系离子在无机晶体中电荷转移能的决定因素。首先考察了镧系离子电荷转移能的系统变化,镧系离子在不同的基质晶体中具有相同的能级位置变化趋势,只是相对于基质价带导带的位置不同。镧系离子电荷转移能的系统变化是镧系离子固有的内在属性,不取决于基质晶体。本论文采用镧系离子的离子电负性和离子半径等基本参数建立了确定镧系离子电荷转移能系统变化的计算方法。在镧系离子掺杂的无机晶体材料中,基质晶体中化学键键合电子的能力越强,则激发基质化学键上电子到镧系离子所需的能量就越高,镧系离子的电荷转移能也就越大。通常用Eu3+在基质晶体中的电荷转移能作为确定其它镧系离子电荷转移能的参照。采用基质键强度建立了计算Eu3+在无机晶体中电荷转移能的定量关系。基质键强度由基质晶体阴阳离子的电负性和半径等基本原子参数来定义。由得到的定量关系计算了Eu3+在14种二元化合物、12种赝二元化合物和40种含有基团的复杂晶体中的电荷转移能值。并且,进一步将该计算方法拓展到Eu3+离子在半导体中的电荷转移能,计算了Eu3+在19种Ⅱ-Ⅵ、Ⅲ-Ⅴ二元半导体、25种AxB1-xC和ABxC1-x三元合金半导体中的电荷转移能值。本工作提供了一个确定镧系离子在无机晶体中电荷转移能的计算方法,进而可以确定镧系离子在基质电子结构中的4f能级位置,有助于从原子组成上研究和设计新型镧系掺杂功能材料。