不知你是否曾被那些在夜晚可以自行发光的摆件、石头或标志物所吸引？这些在夜晚发出奇妙绝伦的光影背后到底隐藏了哪些奥秘？
在年中国建筑材料联合会·中国硅酸盐学会建筑材料科学技术获奖项目中，由浙江大学和华南理工大学主要完成的《无机发光材料若干基础问题研究》项目荣获基础研究类一等奖。
到底是怎样的材料才能作为发光体？这其中的原理又是什么？这种材料的研发过程中需要攻克哪些技术瓶颈？带着诸多疑问，记者采访了《无机发光材料若干基础问题研究》项目研发团队的主要负责人邱建荣教授。
冲破技术垄断
据邱建荣介绍，无机发光材料主要是指由包括稀土离子在内的各种光学活性中心激活的一类无机材料，其作为一类高科技功能材料在白光照明、平板显示、光纤通讯、生物成像、激光器等领域具有广阔的应用前景。
如今，各类无机发光材料的应用已经深入到与国家安全和人民生活息息相关的方方面面。我国是各类无机发光材料的研发和生产大国，在原材料资源储备等方面和发达国家相比具有巨大优势，然而我国在无机发光材料领域的研究以跟踪性研究占据主流，原创性成果缺乏，有关无机发光的原创性的成果基本起源于欧美和日本，某些高性能荧光材料专利和产品仍被欧美日等发达国家垄断。
为了打破这一技术垄断，邱建荣带领着研发团队开始了长期的攻坚工作。
无机材料的发光过程可源于光学活性中心（例如稀土离子、缺陷中心等）的跃迁，也可源于带间跃迁或激子复合的跃迁，这些跃迁都与导带、价带，以及分布于禁带中的各类能级的位置与特性有关。因此发光过程中能带结构，活性中心之间的耦合（或能量传递）及缺陷相关能级的性质主导了辐射和非辐射跃迁的强度。因此，发光材料的研究需要从发光基本过程出发，来把握发光的基本光物理过程，破除传统炒菜式的材料摸索，从基于材料能带结构，能量传递及缺陷态的控制进行系统研究。
“我们在研发过程遇到最大的困难是在研究发光机制时，往往发现影响因素很多，不同的因素之间又常常相互关联，因此很难以抓到影响光谱性质的主要因素，常常需要通过大量的实验，常需要投入大量人力和资源去解决一个核心问题。”邱建荣说，有一次我们学生观察到一个新奇的发光现象，但后来经过仔细分析，证实是由实验系统考虑不周所引起。因此，如果发现新的、未报到过的现象，一定要首先检查是不是自己实验不严谨造成，要通过反复实验推理予以确认。
技术攻关的关键就在于严谨。随着研究的深入，邱建荣越来越意识到和发光有关的现象其实非常复杂，涉及到复杂的量子力学基础，这方面的知识积累相对比较欠缺，需要通过不断学习来弥补，而绝不能闭门造车。因此，他们经常会和理论上更加精湛的学者进行讨论，有时会有豁然开朗的感觉。
通过不断实验，邱建荣发现，发光过程中能带结构，活性中心之间的耦合（或能量传递）及缺陷相关能级的性质主导了辐射和非辐射跃迁的强度。因此，发光材料的研究需要从发光基本过程出发，把握发光的基本光物理过程。而以往发光材料的研究大都基于经验结合炒菜式的材料摸索，因此，他提出基于材料能带结构，能量传递及缺陷态的控制进行系统研究。
邱建荣介绍，我们团队攻克了三方面的问题：第一发现了普适性的无机发光材料能带结构调控规律，建立了基于能带调控优化发光材料发光性能的基本方法；第二发现了调控无机发光材料中活性离子间能量传递的基本规律，建立了多种能量传递路径来调控上/下转换荧光发射；第三发现了不同晶体缺陷对发光中心光学性质的调控规律，发展基于缺陷工程的新型无机发光材料设计思路。
技术转化初见成效
尽管有关掺杂无机发光材料的发光性能方面已有大量研究，并且在白光照明、平板显示，在超分辨生物成像等领域取得了重大进展。然而迄今为止依然无法回答很多最基本的问题：什么材料的发光量子效率最高？最佳活性离子组合是什么？掺杂浓度是多少？最佳基质是什么？缺陷对发光有什么影响？其影响机制是什么，如何控制？现有的研究大多是孤立的、散发的，缺乏从发光整个过程考虑对掺杂及基质微观结构乃至缺陷态的深刻理解和把握。邱建荣表示，系统开展发光材料的高效发光和光谱调控意义重大。这些问题需要从发光所涉及的基本物理过程来进行剖析。对于具体材料发光所涉及的跃迁过程，影响跃迁几率的因素包括基质材料及跃迁选律等本征因素，也包括发光中心与基质、发光中心之间及发光中心与各类缺陷的相互作用。这些相互作用就引出了固体发光材料的研究中难以回避的三个基本问题，即基质的能带结构，发光中心之间及发光中心与基质间的能量传递，以及缺陷对发光的调控作用。
▲超长余辉材料
邱建荣介绍，《无机发光材料若干基础问题研究》就是围绕无机发光材料中能带调控、能量传递以及缺陷工程三个关键基础性问题，系统地阐明了系列氧化物及非氧化物荧光粉的光谱调控规律，借助能量传递拓展了这些材料在太阳能电池光谱转换，高灵敏传感以及生物成像等领域的应用，并通过缺陷工程开发了多波段发光性能可调的蓄光型发光材料，实现了无背景噪音自发光生物成像等前沿应用。为新一代、新概念荧光材料的设计与开发提供全新的思路。
项目的研发将为无机发光材料应用于固态照明、新一代防伪、光伏能源及高灵敏生物传感与成像提供了坚实的理论支撑和物质基础。
“我们项目的研究成果已经在白光LED、太阳能电池，以及无背景噪音自发光生物成像等方面实现应用。”邱建荣表示，下一步研究将针对具体的、更加细分的应用场景，例如安防、近红外光谱检测等，开发光谱性质更加匹配的高效荧光材料，力争研发具有我们自主知识产权的系列荧光粉产品，推动我国在固态照明材料及器件等方面的发展。
项目介绍：围绕实现高效率波长可调的发光，系统开展了无机发光材料中能带调控、能量传递及缺陷工程三个关键基础性问题，阐明了系列氧化物及非氧化物荧光粉的光谱调控规律，利用能量传递拓展了这些材料在太阳能电池光谱转换，高灵敏传感及生物成像等领域的应用，并通过缺陷工程开发了多波段发光性能可调的蓄光型发光材料，实现了无背景噪音自发光生物成像等前沿应用。为新一代、新概念荧光材料的设计与开发提供全新的思路。
团队介绍：
团队负责人邱建荣教授现任浙江大学微纳光子学研究所所长，现代光学仪器国家重点实验室副主任，科技部光电技术联合中心主任。长期从事玻璃与光纤材料，发光与非线性光学材料及激光与材料相互作用的研究。在NaturePhotonics,NatureCommun.等发表论文余篇。获得了德国Abbe基金的Otto-Schott研究奖，美国陶瓷学会G.W.Morey奖。入选美国陶瓷学会和光学学会Fellow。团队长期协作，多人入选国家优青，青年千人，百人计划等国家人才计划。
邱建荣教授团队“荧光转换体的3D打印和无压烧结技术”荣获“年中国光学十大进展”。
中国建材报记者：张亚楠
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