华中科技大学在稀土上转换发光材料研究取得重要研究进展

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最近，华中科技大学材料学院材料成型与模具技术国家重点实验室新材料与器件研究中心团队和中国科学院化学研究所在《自然通讯》(自然通讯)上联合发表了稀土上转换发光材料的最新研究成果“多层纳米粒子界面能量转移增强多光子上转换”。
01工作团队

这项工作由材料研究所的马颖教授团队、中国科学院化学研究所的姚建年院士、中国科学院高能物理研究所的张闯研究员和谷战军研究员共同完成。拥有2016年硕士学位的研究生周斌，和拥有2016年博士学位的研究生唐冰，是论文的合著者，马颖教授是论文的通信作者。


02共掺杂核壳纳米粒子的结构

上转换发光，即反上转换发光，其特征在于两个或更多的泵浦光子通过中间的长寿命能量状态被连续吸收，然后以比泵浦波长更短的波长发射输出辐射。
上转换发光在显示器、太阳能电池、紧凑型固态激光器、红外量子探测器、温度传感器等领域有潜在的应用。上转换纳米粒子通常由无机基质和嵌入其中的稀土离子组成。NaYF4是上转换发光效率最高的基质材料之一。
03转换纳米粒子

为了提高上转换发光效率，通常将稀土离子作为敏化剂和活化剂掺杂在一起，如NaYF 4: Yb3。在Er3体系中，ER3用作活化剂，Yb3用作敏化剂。为了避免交叉弛豫豫，引起的激发能损失，在敏化剂-活化剂共掺杂体系中，活化剂的掺杂浓度通常不超过2%。较低的掺杂浓度导致较低的发光效率和强度，这严重限制了上转换纳米粒子的应用。
因此，近年来人们一直致力于提高稀土掺杂纳米粒子上转换发光效率的研究工作。根据能量转移机理和发光猝灭方法，设计新的结构来优化能量转移路径，降低非辐射能量损失，克服共掺杂体系的浓度猝灭效应，提高掺杂浓度来制备高亮度、高效率的上转换纳米粒子是稀土上转换纳米材料最重要的研究目标。


04量转移辅助界面能量转移

在本研究中，合作团队通过设计多层结构(NaYF4: Er@NaYbF4@NaYF4)在空间上将敏化剂和活化剂相互分离，成功地抑制了敏化剂和活化剂之间的交叉弛豫豫。即使在高掺杂浓度下(Er3的浓度为10-50%)，也没有明显的浓度猝灭效应，多光子上转换发光比传统的共掺杂体系(NaYF4:Yb3，Er3 @NaYF4)强约100倍。这一结果表明，能量转移辅助界面能量转移是一种有效的能量转移上转换过程。不同浓度、敏化层厚度等结构的发光衰减动力学研究进一步证实了这一能量传递机制。
05多层结构优势

多层结构可以有效突破共掺杂浓度的限制，减少交叉弛豫豫，等非辐射能量的损失，实现较高的量子产率。由于敏化剂和激活剂之间的交叉弛豫豫被抑制，与传统的共掺杂核-壳结构的红光发射增强不同，当温度降低时，多层结构的多光子蓝光发射显著增强。显然，能量转移辅助的界面能量转移可以更灵活地用于设计和合成高效发光稀土上转换纳米粒子，以满足实际应用需求
这项研究得到了国家自然科学基金、科技部国家重点研究发展计划和中央大学基础研究经费等项目的支持。



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