二族元素铌酸盐材料力致发光及其增强机理研究
摘要
力致发光是指某些材料在机械力作用下产生的发光现象。力致发光荧光粉因其能
精确呈现压力分布、发光强度与应力大小成正比、呈现压力数值、压力阈值低等特点，
受到研究人员的青睐，在人工智能、物联网、生物技术等领域已取得重大进展。然而，
如何探索新的力致发光材料，进一步提高力致发光强度，揭示其内部发光原理，使之
应用到更广泛的场景，仍是一个巨大的挑战。
铌酸盐材料是力致发光材料重要的一员，已经诞生多个力致发光材料体系，诸如
LiNbO、NaNbO、以及在此基础上的添加新元素进行结构调控的产物等等。基于此，
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制备了一系列二族元素铌酸盐材料，并研究了它们的力致发光性质，后在二族元素铌
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酸盐材料中添加Na元素来进一步研究它们的性质。并结合第一性原理计算对上述铌酸
盐材料的缺陷性质，形成的异质结性质等等进行了阐述。本文的研究工作主要如下：
（1）制备出不同二族元素铌酸盐材料MNbO:Pr（M=Mg、Ca、Sr、Ba），对它们
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的晶体结构进行表征，判断合成产物。与环氧树脂复合制备出力致发光复合弹性体，
并在自组装的实验平台对力致发光性能进行研究。研究表明，在文中制备条件下仅
SrNbO:Pr展现出力致发光现象。借助热释光测试、漫反射测试研究不同样品之间缺
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陷性质差异，利用第一性原理计算CaNbO与SrNbO的缺陷性质，为不同二族元素
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铌酸盐材料力致发光性能的差异提供了理论基础。
（2）通过引入Na离子，改善二族元素铌酸盐的力致发光性能。结果证明
MgNbO:Pr和BaNbO:Pr样品出现了力致发光增强现象。通过结构表征证实异质结模
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型的建立。同时结合漫反射测试，热释光测试，正电子湮灭测试，研究MgNbO:Pr掺
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Na力致发光粉末的电子性质和缺陷性质，证实异质结的形成和缺陷对力致发光的强度
具有重要作用。此外，SrNbO:Pr力致发光材料掺入Na离子后力致发光猝灭的原因被
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分析了，对力致发光材料的设计有一定帮助。
（3）借助第一性原理，分析研究了MgNbO/NaNbO晶体内部缺陷性质，通过计
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算不同缺陷类型的态密度和缺陷形成能，观察禁带中产生的缺陷能级，建立了缺陷与
力致发光之间的联系。建立MgNbO/NaNbO异质结模型，计算异质结模型的能带台
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阶、电荷分布、态密度等信息，给出力致发光增强的原因为在禁带中适当位置的某些
类型的陷阱的高度聚集。
哈尔滨工程大学硕士学位论文
关键词：力致发光；第一性原理计算；铌酸盐材料；异质结
二族元素铌酸盐材料力致发光及其增强机理研究
Abstract
Mechanoluminescencereferstotheluminescencecausedbysomematerialsunder
mechanicalforce.Duetoitscharacteristicsofaccuratelypresentingpressuredistribution,
luminescencei