Yb浓度对功率依赖的上转换荧光色彩的敏感度调控

控制激发光功率密度是一种调控红绿荧光比率的简单方法.然而,大多数上转换系统对功率的调控并不敏感.本文通过柠檬酸钠辅助的水热法,合成了一系列具有不同Yb浓度掺杂的NaYF₄：Yb/Ho微米棒.通过激光共聚焦显微镜系统,研究了Yb浓度和激发功率密度依赖的NaYF₄：Yb/Ho微米棒的上转换荧光特性.发射谱和同步荧光成像图案表明：荧光红绿比率不仅敏感于激发功率,而且敏感度依赖于Yb浓度.随着Yb浓度的增加,功率调控的红绿比率的敏感度增加,这暗示了功率调控的红绿比率的敏感度可以作为一种度量和评估Yb掺杂浓度的有效途径和方法.通过上/下转换发射谱、激发谱和功率依赖关系,揭示了功率调控红绿比率的机理,并提出了荧光色彩敏感于功率调控的上转换系统具有的特征和判据.本研究为设计和合成高敏感度的功率调控的上转换材料提供了理论基础和实验数据.     

基于NaYF4的近红外激发上转换发光材料的发光特性

将Yb~(3+)作为协助发光的敏化剂,Tb~(3+)和Tm~(3+)作为发光中心的激活剂分别加入到基质氟化钇钠中,通过水热合成法分别制成不同掺杂浓度的NaYF_4:Yb~(3+)/Tb~(3+)和NaYF_4:Yb~(3+)/Tm~(3+)双掺杂氟化物纳米发光材料,并通过扫描电子显微镜、X射线衍射以及荧光光谱等手段分别对NaYF_4:Yb~(3+)/Tb~(3+)和NaYF_4:Yb~(3+)/Tm~(3+)双掺杂氟化物材料纳米颗粒的形貌及其发光特性进行了研究.实验结果表明:系列样品的X射线衍射图谱衍射峰与标准卡片吻合得很好,实验浓度范围内Yb~(3+)/Tb~(3+)和Yb~(3+)/Tm~(3+)共掺没有改变NaYF_4的晶体结构.实验得到了该材料在980 nm激光激发下的上转换发光光谱并分析了该材料的上转换发光机理,NaYF_4:Yb~(3+)/Tb~(3+)在980 nm激光激发的情况下出现的蓝光,绿光以及红光,分别对应于~5D_4→~7F_6、~5D_4→~7F_5、~5D_4→~7F_1的辐射跃迁;NaYF_4:Yb~(3+)/Tm~(3+)在980 nm光源激发下出现强的480 nm的蓝光,对应的是~1G_4→~3H_6的电子跃迁能级带,在660 nm强的红光发射谱带,对应的是~1G_4→~3F_4能级跃迁辐射光.     

3d~5金属离子共掺杂NaYF_4:Yb,Er纳米晶的上转换发光

采用水热法制备了Mn~(2+)/Fe~(3+)共掺杂的NaYF_4上转换纳米晶,通过改变掺杂浓度来调控晶相、晶粒尺寸以及上转换荧光发射强度。以Fe~(3+)共掺杂的上转换纳米晶为晶核,通过改变反应时间来调控SiO_2壳厚度,观察到上转换荧光发射强度在反应4 h的条件下出现最大值。Mn~(2+)/Fe~(3+)共掺杂的上转换纳米晶样品整体上转换荧光强度分别提高到3.7倍和4.5倍,同时Fe~(3+)共掺样品的红色上转换荧光增强近7倍。基于近红外980 nm激光激发下的稳态光谱研究,提出Yb~(3+)-过渡族离子和Er~(3+)之间的能量传递以及晶场对称性的改变引起了这种增强效应,随着过渡族离子掺杂浓度的增加,过渡族离子之间的交换相互作用导致上转换荧光的猝灭。     

碱金属离子对稀土掺杂氟化物上转换荧光的影响

提高稀土掺杂材料的上转换荧光效率具有重大的应用价值。本文通过水热法合成了不同种类的碱金属离子掺杂氟化物上转换荧光材料,通过对比样品上转换荧光特性研究其中碱金属离子的作用。发现锂离子能够明显改善稀土掺杂NaYF_4的上转换荧光强度,并在稀土掺杂LiYF_4中实现了比常用的NaYF_4中强近7倍的上转换荧光发射。此外,在具有较高上转换效率的LiYF_4基质中通过浓度优化,合成了具有高效白光上转换发射的荧光粉,其CIE坐标值为(0.32,0.36)。本项工作将对高效稀土掺杂上转换材料及照明器件的构建提供一定的参考。     

纳米NaYb_(1-x)F_4:Er_x~(3+)中Er~(3+)/Yb~(3+)掺杂浓度变化引起的相变和发光增强

在Yb~(3+)和Er~(3+)共掺杂氟化物纳米体系中,2%Er~(3+)掺杂浓度为上转换发光的最佳浓度,高于这个浓度,随着Er~(3+)掺杂浓度的增加,将发生严重上转换发光浓度猝灭,已为人们广泛认知和接受。本文合成了不同Er~(3+)/Yb~(3+)掺杂浓度比的NaYb_(1-x)F_4∶Er_x~(3+)系列上转换发光纳米粒子。通过扫描电镜、XRD和荧光光谱等分析方法对这些合成的样品进行了表征。研究结果表明,当Er~(3+)/Yb~(3+)掺杂浓度比在0.02/0.98～0.2/0.8和0.6/0.4～0.8/0.2范围时,合成的NaYb_(1-x)F_4∶Er_x~(3+)纳米粒子分别为α相和β相结构;而特别值得注意的是,当掺杂浓度比在0.3/0.7～0.4/0.6范围时,合成的纳米粒子为从α相向β相过渡的α相和β相共存相结构。Er~(3+)/Yb~(3+)最佳掺杂浓度比分别为0.02/0.98和0.4/0.6的两种α相和β相共存相结构的纳米粒子都展现了非常好的上转换发光增强。这些结果对于理解稀土离子浓度发光猝灭机制,提高上转换发光效率,促进稀土纳米发光材料在新型光源、生物医学和激光等领域的应用都具有重要的科学研究意义和启发作用。     

Sc~(3+)共掺杂对单个NaGdF_4∶Yb~(3+),Er~(3+)微晶的上转换荧光调控

在高温、长时的水热氛围中,通过Sc~(3+)的共掺杂,制得了一类特殊的稀土掺杂氟化物微晶。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线探测器(EDX)和元素分布像(element mapping)对其晶相和形貌进行表征。结果表明,无Sc~(3+)共掺时,样品为六方相NaGdF_4基六角微米盘;有Sc~(3+)共掺时,六方相NaGdF_4基微晶与单斜相Na3ScF6基微晶共存于样品之中,并且随着Sc~(3+)掺杂浓度的升高,NaGdF_4基微晶发生了显著的形貌演变。值得一提的是,实际进入基质晶格的Sc~(3+)浓度远小于前驱物中Sc~(3+)的浓度。采用激光共聚焦显微技术测试了980nm激光激发下的单颗粒上转换光谱。结果表明,晶格内少量Sc~(3+)的有效介入,可诱导单个NaGdF_4∶Yb~(3+),Er~(3+)微晶内绿色荧光(~2H_(11/2)/~4 S_(3/2)→4 I15/2)对红色荧光(4 F9/2→4 I15/2)相对强度的显著调控,且随着Sc~(3+)掺杂浓度的增加逐渐升高。结合建议的上转换机制,对红色和绿色上转换荧光衰减曲线和对应发射带的积分强度对激发功率的依赖关系展开了详细分析。上转换荧光衰减曲线的上升时间随着Sc~(3+)掺杂浓度的升高逐渐缩短,红绿发射带积分强度对激发功率的依赖也随着Sc~(3+)掺杂浓度的升高变得更为明显,暗示了半径最小的稀土离子Sc~(3+)进入基质晶格后,从Yb~(3+)到Er~(3+)能量转移速率显著提升,使得绿光的~2H_(11/2)/~4 S_(3/2)激发态较红光的4 F9/2激发态更容易布居,从而产生可观的上转换荧光调控。此类微晶有望在荧光防伪、光学波导等领域获得重要应用。     

构建垂直金纳米棒阵列增强NaYF_4:Yb~(3+)/Er~(3+)纳米晶体的上转换发光

以金纳米棒垂直阵列(gold-nanorods vertical array, GVA)为衬底, SiO_2为隔离层,构建GVA@SiO_2@NaYF_4:Yb~(3+)/Er~(3+)纳米复合结构.在近红外980 nm激发下,通过改变中间隔离层SiO_2的厚度,研究GVA对NaYF_4:Yb~(3+)/Er~(3+)纳米晶体上转换发光的调控规律.实验结果表明,当SiO_2层的厚度增大至8 nm时, Er~(3+)离子整体的上转换发射强度增大近8.8倍,且红光强度增强尤为明显,约为16.2倍.为了进一步证实GVA对Er~(3+)离子红光发射的增强效果,以红光发射为主的NaYF_4:40%Yb~(3+)/2%Er~(3+)纳米晶体为对象展开研究,发现Er~(3+)离子红绿比由1.84增加到2.08,证实该复合结构更有利于提高红光的发射强度.通过对其光谱特性、发光动力学过程的研究并结合其理论模拟,证实了上转换发光的增强是由激发与发射增强共同作用,而激发增强占据主导地位.采用该套复合体结构实现上转换荧光发射的增强,不仅有效地利用了贵金属的等离激元共振特性,而且对深入理解等离激元增强上转换发光的物理机理提供理论依据.     

Er~(3+)和Yb~(3+)/Er~(3+)掺杂对石英光纤中倍频的影响

实验研究了掺Er~(3+)和Yb~(3+)/Er~(3+)石英光纤中的倍频过程.测量了不同Er~(3+)和Yb~(3+)/Er~(3+)掺杂量的光纤倍频转换效率和光纤倍频预处理前后Er~(3+)发射可见荧光的强度,探讨了Er~(3+)和Yb~(3+)掺杂对光纤中倍频过程的影响.     

Sc_2(WO_4)_3∶Er~(3+)/Yb~(3+)的上转换发光及其温度传感特性

通过高温固相法制备出一系列新型上转换材料Sc_2(WO_4)_3∶Er~(3+)/Yb~(3+)。在980 nm激光激发下,Sc_2(WO_4)_3∶Er~(3+)/Yb~(3+)样品发出肉眼可见的强绿光。利用荧光光度计测得样品的发光光谱,在500～600 nm之间有强绿光发射,分别归因于Er~(3+)的~2H_(11/2)→~4I_(15/2)和~4S_(3/2)→~4I_(15/2)跃迁发射。在650～700 nm位置处,有对应于Er~(3+)离子~4F_(9/2)→~4I_(15/2)跃迁的较弱的红光发射。随着掺杂浓度的变化,样品的红绿分支比发生变化。当样品掺杂Er~(3+)浓度为0.05%、Yb~(3+)浓度等于0.1%时,样品发射的绿光强度是红光强度的27倍。另外,利用荧光强度比方法研究了Er~(3+)的两个热耦合能级在303～573 K范围内的发光温度特性。393 K时,样品的灵敏度达到最大为0.006 8 K~(-1)。对比于其他荧光粉材料,Sc_2(WO_4)_3∶Er~(3+)/Yb~(3+)的灵敏度处于较高水平,在实际测温中具有更好的应用前景。     

Er3+单掺、Er3+/Yb3+共掺杂Ca12Al14O32F2的 制备及上转换发光性质

利用高温固相法成功制备了Er~(3+)单掺、Er~(3+)/Yb~(3+)共掺杂Ca_(12)Al_(14)O_(32)F_2上转换发光样品。在980 nm激光激发下,Er~(3+)单掺和Er~(3+)/Yb~(3+)共掺杂样品均呈现出较强的绿光(528,549 nm)和较弱的红光(655 nm)发射,分别归因于Er~(3+)离子的~2H_(11/2),~4S_(3/2)→~4I_(15/2)和~4F_(9/2)→~4I_(15/2)能级跃迁。随着Er离子浓度的增加,单掺杂样品上转换发光强度先增大后减小,最佳掺杂浓度为0.8%。共掺杂Yb~(3+)后,Er~(3+)的发光强度明显增大。还原气氛下合成的样品上转换发光强度增大约两倍,可能和笼中阴离子基团变化有关。发光强度和激发光功率的关系表明所得上转换发射为双光子吸收过程,借助Er~(3+)-Yb~(3+)体系能级结构详细讨论了上转换发射的跃迁机制。     

Er3+/Yb3+共掺NaYF4/LiYF4微米晶体的上转换荧光特性

采用水热法成功制备了Er³⁺/Yb³⁺共掺杂的NaYF₄和LiYF₄微米晶体. 通过X射线衍射仪和环境扫描电子显微镜对样品的晶体结构及形貌进行表征. 实验结果表明: 六方相NaYF₄微米晶体为棒状结构, 而四方相LiYF₄微米晶体则为八面体结构. 在近红外光980 nm激发下, NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺和LiYF₄:Yb³⁺/Er³⁺ 微米晶体均展现出很强上转换荧光发射. 且NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺微米晶体的荧光发射强度大约是LiYF₄:Yb³⁺/Er³⁺微米晶体的2倍, 但红绿比明显较低. 根据荧光光谱, 并借助激光光谱学及发光动力学深入探讨基质变化及表面修饰剂乙二胺四乙二酸(EDTA)对荧光特性的影响. 实验结果发现: 影响荧光强度的主要因素是基质环境的局域对称性, 而导致不同红绿比则是由于样品表面较多的EDTA分子所引起. Er³⁺掺杂的NaYF₄和LiYF₄ 微米晶体呈现出很强的绿光发射可被应用于全色显示, 荧光粉和微光电子器件中.     

Na+掺杂对LiYF4：Er3+/Yb3+上转换发光性能的影响

上转换发光材料由于低的发光效率,限制了其在太阳电池中的实际应用。为解决此问题,采用溶剂热法制备了LiYF₄：Er³⁺/Yb³⁺上转换发光颗粒,在LiYF₄基质中引入Na⁺来打破Er³⁺周围晶体场的对称性,增强其发光性能。研究了Na⁺掺杂对LiYF₄：Er³⁺/Yb³⁺的结构、形貌及其发光的影响。结果表明：掺杂的Na⁺可以裁剪Er³⁺周围的晶体场,当Na⁺摩尔分数为15%时,得到了较大的发光增强,绿光和红光发射分别获得4.2倍和2.9倍的增强。Er³⁺周围晶体场对称性的降低和材料中OH基团的减少是其发光增强的主要原因。     

单颗粒稀土微/纳晶体上转换荧光行为的光谱学探究

利用激光共聚焦显微镜系统研究了系列单颗粒NaYF_4:Yb/Er微晶的上转换荧光强度、空间分布和动力学过程.结果表明:荧光强度和动力学过程不但依赖于样品的长径比,而且依赖于样品的具体制备途径.荧光强度和红色荧光寿命随样品长径比的增大而增大,在具有相同长径比的NaYF_4:Yb/Er微米棒中,相比于调柠檬酸的量,调控pH制备的样品展示了更优异的上转换荧光特性.更有趣的是:不同样品的荧光图案展示了异向空间分布,暗示了其在编码和显示等领域的应用优势.荧光特性依赖于样品长径比和制备过程的物理机理被进一步研究和揭示:在微米晶体内,荧光强度主要依赖于样品的晶格内Na~+缺陷的数量.该研究为高效上转换荧光材料的合成积累了数据,而NaYF_4:Yb/Er微晶中红色荧光寿命对晶格缺陷更加敏感的特性也可能使其成为晶格结晶度的探针.     

Ba5SiO4Cl6: Yb3+, Er3+, Li+荧光粉的制备及上转换发光性质研究

本文采用高温固相反应法制备了Ba₅SiO₄Cl₆: Yb³⁺, Er³⁺, Li⁺ 荧光粉, 并对其上转换发光性质及其发光机理进行了研究. 在980 nm 激光的激发下, Ba₅SiO₄Cl₆: Yb³⁺, Er³⁺ 荧光粉呈现较强的红色(662 nm) 和较弱的绿色(550 nm) 的上转换发光, 红色和绿色的上转换发光分别对应于Er³⁺ 离子的⁴S_3/2/²H_11/2→⁴I_15/2 和⁴F_9/2→⁴I_15/2 跃迁, 且随着掺杂的Er³⁺ 和Yb³⁺ 离子浓度增加, 样品的上转换发光强度增加, 这是因为Yb³⁺ 离子和Er³⁺ 离子之间的能量传递效率增加引起的. 在0.5—0.8 W 功率激发下,样品属于双光子发射, 而在0.9—1.2 W 功率激发下样品具有新的上转换发光机理——光子雪崩效应. 探讨了Li⁺ 掺杂对Ba₅SiO₄Cl₆: Yb³⁺, Er³⁺ 样品的上转换发光性质的影响, Li⁺ 离子的掺杂引起Ba₅SiO₄Cl₆:Yb³⁺, Er³⁺ 上转换发光强度增加, 这是由于Li⁺ 离子的掺入降低了晶体场的对称性引起的.     

氨基磷酸辅助的水热合成NaYF4:Yb3+,Er3+纳米晶及其上转换发光

以氨基磷酸为螯合剂,通过共沉淀与水热法相结合,成功地制备出NaYF4:Yb3+,Er3+纳米晶.研究结果表明:水热前后NaYF4:Yb3+,Er3+纳米晶均为立方相结构,其颗粒大小约为80nm.在980 nm近红外光激发下,实现了样品的上转换发光.样品的上转换绿红光发射带归因于Er3+的2H11/2,4S3/2→4 I...     

Zr4+掺杂对Er3+/Yb3+共掺NaYF4微晶晶相和发光性能的影响

采用油酸辅助的水热法制备了Er³⁺/Yb³⁺共掺NaYF₄微晶,通过在反应体系中引入Zr⁴⁺离子,实现了NaYF₄微晶的晶相控制和上转换发光增强。X-射线衍射和扫描电镜结果表明：Zr⁴⁺离子的引入能够明显加快立方相α-NaYF₄向六方相β-NaYF₄的相转变过程。当Zr⁴⁺离子的引入摩尔分数为5%时,获得了纯的六方相β-NaYF₄微晶。Er³⁺/Yb³⁺共掺NaYF₄微晶在980 nm激光泵浦下,观察到强的上转换绿光和红光发射,且上转换发光强度随着Zr⁴⁺离子添加量的增加逐渐增大。     

氮气氛中高温退火对NaYF4:Yb3+,Er3+纳米粒子上转换发光的影响

以柠檬酸三钠为螯合剂,采用共沉淀和水热相结合的方法成功制备出尺寸为40 nm的NaYF4:Yb3+Er3+纳米粒子.将得到的部分样晶在300℃氮气保护下退火2h.退火前后的样品晶体结构都属于立方相,尺寸保持在40 nm左右.在980 nm光激发下,退火后样品的上转换发光整体强度和绿光相对发射强度明显增强.分析认为高温退...     

磁控溅射制备Er~(3+)/Yb~(3+)共掺杂TiO_2薄膜的上转换发光特性

采用射频磁控溅射法制备得到Er~(3+)/Yb~(3+)TiO_2薄膜,980 nm的抽运源作用下上转换可以得到490 nm的绿光和670 nm的红光,上转换红、绿光发光强度受到烧绿石Er_xYb_(2-x)Ti_2O_7晶体的生成以及Er~(3+)/Yb~(3+)掺杂浓度的影响,实验表明,适量共掺杂Er~(3+)/Yb~(3+)可明显增强上转换发光,Er~(3+)在上转换发光中起主要作用,而引入敏化离子Yb~(3+)可以大大提高上转换发光效率,磁控溅射法制备的TiO_2薄膜声子态密度较小,从而抑制了无辐射跃迁过程,导致490nm绿光形成以及红光强度大于绿光强度。     

Shape controllable synthesis and enhanced upconversion photoluminescence of β-NaGdF_4:Yb~(3+), Er~(3+) nanocrystals by introducing Mg~(2+)

Different concentrations of Mg~(2+) -doped hexagonal phase NaGdF_4:Yb~(3+), Er~(3+)nanocrystals(NCs) were synthesized by a modified solvothermal method. Successful codoping of Mg~(2+)ions in upconversion nanoparticles(UCNPs) was supported by XRD, SEM, EDS, and PL analyses. The effects of Mg~(2+)doping on the morphology and the intensity of the upconversion(UC) emission were discussed in detail. It turned out that with the concentration of Mg~(2+)increasing, the morphology of the nanoparticles turn to change gradually and the UC emission was increasing gradually as well. Notably the UC fluorescence intensities of Er~(3+)were gradually improved owing to the codoped Mg~(2+)and then achieved a maximum level as the concentration of Mg~(2+)ions was 60 mol% from the amendment of the crystal structure of β-NaGdF_4:Yb~(3+),Er~(3+)nanoparticles. Moreover, the UC luminescence properties of the rare-earth(Yb3+, Er~(3+)) ions codoped NaGdF_4 nanocrystals were investigated in detail under 980-nm excitation.     

稀土掺杂的NaGdF4上转换发光材料的合成与发光特性研究

采用水热法制备了一系列不同掺杂浓度的NaGdF₄:Re(Re=Tm³⁺,Er³⁺,Yb³⁺)上转换发光粉。通过X射线衍射(XRD)、电子扫描电镜(SEM)和上转换发射光谱对样品进行了表征。XRD研究结果表明:合成的样品均为六方结构NaGdF₄。估算的平均晶粒尺寸为41~43 nm。在980 nm红外光激发下,Er³⁺和Yb³⁺共掺杂的NaGdF₄发光粉发出分别来自于Er³⁺离子²H_{11/ 2},⁴S_3/2→⁴I_15/2跃迁的绿光和⁴F_9/2→⁴I_15/2跃迁的红光发射,Tm³⁺和Yb³⁺共掺杂的NaGdF₄发光粉发出分别来自Tm³⁺离子的¹G₄→³H₆跃迁的蓝光、¹G₄→³F₄和³F_2,3→³H₆跃迁的红光和³H₄→³H₆跃迁的近红外光发射。Er³⁺,Tm³⁺和Yb³⁺共掺杂的NaGdF₄发光粉的发光强度及红、绿、蓝光发射的相对强度受Yb³⁺离子掺杂浓度的影响。对样品中可能的上转换发光机制进行了讨论。计算的色坐标显示:可通过改变掺杂离子浓度对上转换发光的颜色进行调控。