新型负膨胀材料ZrScMo2VO12的负热膨胀和宽带光致发光

新型负膨胀材料ZrScMo2VO12的负热膨胀和宽带光致发光

【引言】

虽然已经报道了许多NTE材料，但由于已知NTE材料的性能限制，如NTE材料的温度范围窄或温度范围不合适，这些材料仍然非常有限，远远不能满足各种器件的要求，事实上，目前工程上应用的NTE材料虽然在调整其性能方面做了很多努力，但在工程上应用的NTE材料却少得多。开发具有优良的NTE性能和附加功能的新型材料，无论在科学上还是技术上都具有特别重要的意义。

【成果介绍】

本文首次提出了一种新的材料，其分子式为ZrScMo₂VO₁₂。结果表明，该材料不仅在较宽的温度范围内（至少在150～823K）表现出良好的负热膨胀（NTE）性能，而且在整个可见光区域具有很强的光致发光特性。结构分析表明，室温下ZrScMo₂VO₁₂具有空间基团Pb_cn（No.60）的正交晶系结构。用膨胀计（高温用LINSEIS DIL L76，低温用LINSEIS DIL L75）测量相对长度变化。在70～90K之间，发现了从单斜结构到正交结构的相变。这种强烈的白光发射被认为是n型和p型共掺杂效应的结果，它不仅在带隙中产生了施主和受主的类态，而且还产生了施主-受主对甚至束缚激子复合物。这种材料优良的NTE特性与强烈的白光发射相结合，在发光二极管和其他光电器件中具有潜在的应用前景。

【图文导读】

图1：相对长度变化和温度依赖性XRD。（a） ZrScMo₂VO₁₂柱体的相对长度随温度从135~673K和RT~873K的变化（插图）；（b）ZrScMo₂VO₁₂的温度依赖性XRD图谱；（c）ZrScMo₂VO₁₂的晶格常数和（d）晶胞体积随温度的变化。

图2：温度依赖性光致发光（a，b）在345nm激发下ZrScMo₂VO₁₂的温度依赖性PL光谱。插图（a）中的光学照片是在345nm的辐照下拍摄的。

图3：TG/DSC曲线和XRD图形细化。（a） ZrScMo₂VO₁₂从室温到873k的TG/DSC曲线；

（b）RT下样品的XRD图和Rietveld分析结果（R_p=8.08%，R_wp=11.92%，R_exp=5.09%）。“+”符号表示观察到的轮廓。实线表示计算的轮廓。竖线表示该相位的布拉格峰值位置。最低的曲线是观察到的和计算的模式之间的差异。

图4：ZrScMo₂VO₁₂和Zr/Sc-O-Mo/V多面体结构示意图。（a） ZrScMo₂VO₁₂积木示意图（红色球体表示氧原子）；（b）ZrScMo₂VO₁₂中Zr/ScO-Mo/V多面体结构示意图（红球表示氧原子）。

图5：光致发光光谱反褶积、室温紫外-可见吸收光谱和低温拉曼光谱。（a） PL光谱反褶积为三个窄带和两个宽带；（b）PL峰值位置随温度的变化；（c）室温下的紫外-可见吸收光谱和100K下的PL光谱；（d）ZrScMo₂VO₁₂的低温拉曼光谱。

【结论】

综上所述，我们开发了一种新型的ZrScMo₂VO₁₂材料，它在较宽的温度范围内具有优异的NTE性质，并且在整个可见光区域显示出强烈的宽带光致发光。结构分析表明，ZrScMo₂VO₁₂在室温下形成了一个以Pb_cn（No.60）为基团的正交晶系，揭示了该材料在70～90K之间的相变。NTE特性归因于积木中特殊的柔性和易扭曲的多面体或桥接氧的横向非简谐振动。强烈的白光发射可能源于n型和p型的共掺杂效应，这种效应不仅在带隙中产生了施主和受主的类态，还产生了施主-受主对甚至束缚激子复合物。其优异的NTE特性与强烈的白光发射功能相结合，表明这种材料在LED和其他光电器件中具有潜在的应用前景。该材料的设计策略为开发功能性NTE材料开辟了一条新的途径。