1996年,日本的日亚公司以GaN蓝光LED(light emitting diode,即发光二极管)为基础,研制出发光二极管器件(白光LED)可作为照明设备使用。白光LED和传统的自炽灯以及荧光灯照明器件相比具有很多优点,例如,体积小(小颗粒、组合方便)、低电耗、低热量损耗(无热辐射)、寿命长(理论上大于10万小时)、响应速度快、对环境污染小(无污染、可回收),因此掀起了一股研发白光LED的热潮。　　 由半导体材料的发光原理可知,单一的LED芯片很难发出连续光谱的白光。目前一般通过三种方法来实现白光:(1)三色红、绿、蓝LED,混合后形成白光,但是技术和控制系统比较复杂;(2)蓝色LED和可以被蓝光激发的发红、绿光的荧光粉(或黄色荧光粉)的组合,在这个过程中LED发出蓝光,能被荧光粉吸收,并产生红、绿(黄)光,没被吸收的蓝光和被荧光粉吸收并激发产生的红、绿光或黄光混合产生白光,这样既避免了紫外线对眼睛的伤害,还降低了光转换过程的能源损耗;(3)和三基色节能灯类似,利用近紫外光LED,可有效地激发红、绿、蓝三色荧光粉有机组合产生白光。理论上这种技术可以调配成任何色温的光源,而且其显色性更好,制备比较容易。　　 白光LED发展的关键之一是荧光粉的发展。传统荧光粉的基质大部分由铝酸盐、硫化物、硅酸盐等构成。近几年,国内外出现了很多以硅基氮化物和氮氧化物为基质,并掺杂稀土元素的荧光材料的报道,如M-α-SiAlON:Eu2+(M=Li,Mg,Ca,Y),Sr2Si5N8:Eu2+等。氮化物和氮氧化物相对于硫化物和氧化物来说,由于氮具有相对较小的电负性和较大的电子云膨胀效应,有效促进稀土离子5d能级在晶体场中的分裂,从而使5d-4f之间的能级差减小,激发发射波长红移,与紫外或蓝光LED匹配。同时可以通过在很大范围调节氮氧比例来控制激发发射波长,使荧光粉具有较优的可控性,提高白光LED的性能,同时氮以及氮氧化物还具有稳定的化学性质和优良的高温发光性能。　　 α-SiAlON是最先提出的硅氧氮化物荧光体。在实验中发现,不同的基质金属填隙离子对其发光有影响,如Ca-α-SiAlON的光转换效率远大于Mg-α-SiAlON,但是通过一般的发光理论很难给出合理的解释。本论文的工作就是实验测量结合密度泛函理论计算,研究填隙金属离子影响荧光粉光学性质的机理。由于Ca和Mg有相同的化合价,为了便于比较,因此我们选择掺Eu的Ca-α-SiAlON和Mg-α-SiAlON作为研究对象。　　 第一章介绍了白光LED的应用和白光LED用荧光粉以及用于荧光粉电子结构计算的第一性原理。　　 第二章介绍了研究M-α-SiAlON:Eu2+性质的手段,有X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM)、光致发光谱(PL)以及计算软件Materials Studio。XRD用于分析不同方法制备的材料的结晶质量;SEM用于材料的表面形貌的表征;PL谱主要用于研究材料的光学性质;计算软件Materials Studio是通过构建的晶体结构来计算材料的各种性质。　　 第三章首先用实验方法制备了掺Eu的Ca-α-SiAlON和Mg-a-SiAlON,并研究了它们的光致发光谱。结果发现,Ca稳定的α-SiAlON和Mg稳定的a-SiAlON中,发光强度不同。然后我们构建了合理的结构模型,计算了这两种结构的电子态密度和能带结构,通过对态密度结果的分析,发现Ca和Mg相比,对导带底的贡献更多,而在两种结构中,价带顶主要是来自Eu4f电子态的贡献,这可以定性地解释Eu的Ca-α-SiAlON发光性能更好的原因。