基质材料对Yb~(3+)浓度调控的上转换荧光红绿比的影响

控制Yb~(3+)掺杂浓度是一种重要的调控红绿荧光比率的方法.然而,关于不同基质中Yb~(3+)浓度对红绿上转换荧光调控的敏感度仍缺少定量的对比研究,而且调控机理尚不清晰.本文通过乙二胺四乙酸辅助的水热法,合成了形貌可控的NaYF_4微米棒、LiYF_4微米八面体和YF_3微米砖三种氟化物晶体.通过激光共聚焦显微镜系统对比研究了Yb~(3+)/Er~(3+)掺杂的三种不同基质和形貌的单颗粒氟化物微米晶体的上转换荧光行为和红绿比率对Yb~(3+)变化的敏感度.研究结果表明:NaYF_4:Er~(3+)微米棒的红绿比率对Yb~(3+)的掺杂浓度响应最为敏感,各种Yb~(3+)浓度掺杂的LiYF_4:Er~(3+)微米八面体上转换荧光被绿光主控,而不同Yb~(3+)掺杂的YF_3:Er~(3+)微米砖表现出了稳定的黄光发射.通过分析荧光发射谱和比较上下转换荧光动力学过程结合荧光强度-功率依赖关系,基于拥有不同声子能量的基质辅助的Er~(3+)离子中间态的不同消布居途径,揭示了不同基质中红绿比率对Yb~(3+)变化响应的物理机制,并提供了一种研究上转换机理的思路.     

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.     

YPO4∶Ho3+,Yb3+,Tm3+微纳米管的合成及上转换白光发射

水热法合成了均匀管状Tm3+,Ho3+和Yb3+三掺的YPO4微纳米管,在波长为980nm的近红外光激发下能够发射出红绿蓝三条可见光谱带以及中心波长位于795nm的近红外发射带,从而实现上转换白光发射。通过TEM,XRD和荧光光谱等表征手段对合成的Tm3+,Ho3+和Yb3+三掺YPO4微纳米管进行了结构和性能分析,结果表明,合成的YPO4微纳米管为纯净六方相,水热反应温度对荧光材料的发射光谱有较明显的影响,然而对材料物相的影响却不大。在相同反应温度下,随着掺杂稀土离子浓度的升高,相应发射峰的强度并不是单调的增强,而是由于浓度猝灭和交叉弛豫等因素呈现非单调性的变化。探讨了可能的上转换发射机制。这种上转换发射强度可调控荧光材料在三维固体显示、上转换荧光照明以及荧光探测等领域有潜在的应用。     

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。     

锂离子对稀土掺杂氧化物的红外激光诱导热辐射的影响

由于具有较高的可见波段荧光效率,基于稀土掺杂氧化物的红外激光诱导热辐射具有重大的应用潜力。进一步提高红外诱导热辐射效率具有重大的实用价值。设计了一种改善稀土掺杂氧化物材料中红外诱导热辐射效率的方案,即通过掺杂改性杂质,既可以改变稀土离子周围局域晶场的对称性;同时又引入了晶格缺陷。对应的效果包括：一方面,可以通过增强稀土离子周围的晶场强度来提高稀土元素对于入射光子的吸收能力;另一方面,可以利用晶格缺陷作为猝灭中心来增加材料的热转化能力,最终将显著提高杂质改性材料的光热转化效率,即获得更加高效的红外诱导热辐射材料。为了验证设计方案的可行性,利用溶胶-凝胶方法合成了不同浓度的镱离子和锂离子的共掺杂样品,通过XRD及TEM测试分析了杂质对样品结构的影响,并且基于荧光发射光谱具体研究了杂质掺杂浓度对热辐射效率的影响。该工作为高效稀土掺杂热辐射材料的制备提供一定的参考。     

NaYF_4:Tm~(3+)纳米棒中激光脉宽调控的荧光选择输出特性

基于频域和时域的光谱学分析,系统地研究了Tm~(3+)掺杂的NaYF_4纳米棒的荧光选择输出特性及荧光输出与激光脉冲宽度、激发波长、抽运功率及环境温度的依赖关系.结果表明:与其他因素相比,输出光色强烈地依赖于激光脉宽.通过合适的脉宽激光激发,在NaYF_4:0.5 mol%Tm~(3+)纳米棒中获得了强烈的单带近红外荧光发射,该波段荧光在深层组织成像方面具有极大应用优势.基于多声子无辐射弛豫理论和荧光动力学过程,揭示了脉冲宽度调控的单带近红外荧光的输出机理,其机理为多声子弛豫辅助的下转换荧光和激光脉宽调制的上转换荧光之间的竞争,该研究为光谱调控提供了新的理论依据和途径.     

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.     

稀土掺杂材料的上转换发光

稀土掺杂材料的上转换发光是实现光波频率转换的重要途径,也是稀土掺杂发光材料研究的重要内容。本文从介绍与上转换相关的基本概念出发,阐述了稀土离子上转换发光的发展历史;对稀土离子掺杂材料的能量传递、激发态吸收、合作敏化、合作发光、双光子吸收激发及光子吸收雪崩等上转换发光机制进行了概述,并对各机制进行了比较;对不同稀土离子掺杂体系中上转换发光的机制进行了总结;对以往研究的稀土掺杂上转换发光材料的基质,包括粉体材料、晶体材料、非晶材料进行了概括;最后对影响稀土离子上转换发光效率的因素进行了分析,提出了在上转换发光材料的设计中应重点考虑基质对泵浦光及上转换发射光的吸收、基质材料的声子能量、稀土离子的掺杂方案及泵浦途径等因素。     

热注射法合成用于生物成像的核壳上转换纳米晶

近几年来,稀土上转换发光纳米材料凭借其生物组织穿透深度大、无组织损伤、无背景荧光干扰和成像灵敏度高等诸多优点,在生物体荧光成像领域展现了巨大的潜在应用价值.本文采用"一次热注射"高温溶剂热法制备不同壳层厚度的NaYF_4:Yb, Tm@NaYF_4上转换发光材料.利用透射电子显微镜、粒径分析、荧光光谱等对产物进行表征,探讨壳层厚度对纳米粒子上转换发光强度的影响.结果表明,在980 nm近红外光照射下,上转换纳米材料能够发出紫外-可见光.而且,由于壳层包覆有效抑制了上转换发光的表面猝灭效应,核壳结构的NaYF_4:Yb, Tm@NaYF_4纳米粒子发光强度比NaYF_4:Yb, Tm提高了数十倍;当壳层厚度为22.7 nm时,上转换发光强度最强.此外,通过对上转换发光颗粒进行酸洗和聚乙二醇(PEG)修饰,提高了纳米材料的生物相容性,并成功将其应用于细胞的上转换荧光成像.     

利用共价键镶嵌上转换纳米晶制备发光NaYF_4-PMMA纳米复合聚合物

在NaYF_4纳米晶表面修饰不饱和基团,与甲基丙烯酸甲酯单体共聚,制备了NaYF_4-PMMA发光纳米复合聚合物。采用共价键将纳米晶镶嵌在聚合物基质中,可实现纳米粒子均匀、稳定、高浓度的掺杂。所使用的纳米发光材料为NaYF_4∶20%Yb,2%Er和NaYF_4∶20%Yb,1.5%Tm。NaYF_4∶20%Yb,2%Er纳米晶的尺寸为9~14 nm,NaYF_4∶20%Yb,1.5%Tm纳米晶的尺寸为11~15 nm。在980 nm红外光的激发下,NaYF_4∶20%Yb,2%Er-PMMA发出明亮的黄光,NaYF_4∶20%Yb,1.5%Tm-PMMA发出明亮的蓝光,分别与其对应的发光纳米晶的发射光谱完全一致。实验结果表明:NaYF_4-PMMA材料透明性良好,稳定性高,上转换发光强度大。这种上转换发光纳米复合聚合物在显示领域,特别是在真三维显示方面具有潜在的应用前景。     

掺杂浓度对BaGd_2ZnO_5∶Er~(3+)/Yb~(3+)荧光粉上转换发光的影响

采用传统高温固相法合成了一个系列不同Er3+浓度单掺的BaGd2ZnO5荧光粉和两个系列分别改变Er3+、Yb3+浓度的共掺杂BaGd2ZnO5荧光粉.采用X射线衍射对得到荧光粉的晶体结构进行了分析,证实所有产物均为纯相BaGd2ZnO5,掺杂浓度的变化未引起晶相改变.采用980nm激光作为激发源,在同样条件下测量了不同稀土掺杂浓度样品的上转换发射光谱.实验发现Er3+单掺杂样品的绿色上转换发光强于红色上转换发光;当Yb3+浓度为20%,不同Er3+浓度共掺杂样品的红色上转换发光强于绿色发射上转换发射;而固定Er3+浓度为5%,不同Yb3+浓度样品的红色和绿色上转换发射强度均较强.研究了不同稀土离子掺杂浓度样品的上转换发光强度与激光器工作电流(即不同激发功率密度)的关系,通过分析发现所有样品的红色和绿色上转换发光均为双光子过程.计算了不同稀土掺杂浓度样品的色坐标,发现掺杂浓度对样品色坐标具有较大影响,通过调整掺杂浓度可对色坐标进行调整.     

电子俘获材料的红外上转换效率

采用稀土直接掺杂工艺提高了电子俘获材料CaS:Eu,Sm和CaS:Ce,Sm的发光亮度和制备效率,并利用超短脉冲红外激光测试了它们的红外上转换效率.借助等离子体质谱技术检测了硫化助熔剂法和稀土直接掺杂工艺合成电子俘获材料中主要掺杂剂的化学计量比,分析了影响电子俘获材料上转换发光效率的主要因素.     

提高能量上转换效率的实验探讨

通过以TeO₂,GeO₂,ZnF₂,SiO₂,PbF₂等为主体的氟氧化物玻璃陶瓷基质材料的研究提出了提高上转换效率的某些条件.选择低声子能量的基质,且基质的M系数接近稀土离子的M系数的氟氧化物基质材料是高效上转材料的基础,选择激发光光子能量与稀土离子、敏化稀土离子能级匹配是高效上转换材料的必要条件.为设计研究稀土掺杂能量上转换材料提供了有理论和应用价值的结果. 关键词： 能量上转换 氟氧化物玻璃陶瓷 稀土掺杂     

提高能量上转换效率的实验探讨

通过以TeO2,GeO2,ZnF2,SiO2,PbF2等为主体的氟氧化物玻璃陶瓷基质材料的研究提出了提高上转换效率的某些条件.选择低声子能量的基质,且基质的系数接近稀土离子的M系数的氟氧化物基质材料是高效上转材料的基础,选择激发光光子能量与稀土离子、敏化稀土离子能级匹配是高效上转换材料的必要条件.为设计研究稀土掺杂能量上转换材料提供了有理论和应用价值的结果.     

光子晶体对稀土上转换发光的调控

稀土掺杂上转换材料由于其高化学稳定性、低生物毒性,在发光显示、防伪和生物成像等领域得到了广泛的应用。稀土掺杂上转换材料的基质晶格和掺杂离子决定着其发光强度和颜色。光子晶体(PCs)是折射率不同的材料在空间周期性排列形成的有序结构,其最显著的特征是具有光子禁带(PBG)。波长位于光子禁带内的光不能透过光子晶体而被反射回来,因而光子晶体具有优异的光调控能力。本文综述了一维、二维和三维光子晶体对稀土上转换发光调控的进展,介绍了利用光子禁带与上转换荧光发射峰的相对位置对发光进行控制的方法。重点从蛋白石结构和反蛋白石结构两个方面论述了三维光子晶体对上转换发光的调控:对于反蛋白石光子晶体,综述了利用上转换材料构筑反蛋白和利用其他材料构筑反蛋白,通过布拉格反射调控上转换材料的发光;对于蛋白石光子晶体,论述了利用不同折射率胶体微球构筑三维光子晶体对稀土上转换发光进行调控。最后总结了利用等离子体共振和光子禁带共同作用调控上转换发光的研究现状,并展望了利用光子晶体调控上转换发光的发展方向。     

高性能Sr2-xBaxSiO4 : Eu2+ 荧光材料的合成及发光

研究了Sr_2-xBa_xSiO₄ : Eu²⁺ 荧光材料作为白光LED发光体的可行性和应用特性。采用高温固相法制备了Sr_2-xBa_xSiO₄ : Eu²⁺ 材料系列样品,对样品的成分配比、阴离子掺杂、合成温度和时间进行了系统实验,利用XRD、SEM、光谱测试及封装测试等手段对样品的组成、结构、形貌特征及应用性能进行了表征。研究表明Sr_2-xBa_xSiO₄ : Eu²⁺ 荧光材料具有激发范围宽(300~500 nm)、发射范围宽(500~600 nm)的特点。通过控制碱土金属的比例可以精确控制材料的发射波长,在Ba掺杂范围0≤x<0.5内可以获得550~560 nm的发射,与YAG材料相比在光谱上增加了红色成分。通过引入恰当助熔成分进行阴离子掺杂,精确控制烧结工艺等手段极大提高了550~560 nm发射的发光强度和光转换效率。封装应用和测试证明,本研究优化制备的高性能Sr_2-xBa_xSiO₄ ∶ Eu²⁺ 荧光材料的光转换效率普遍可达到YAG材料的95％,在显色指数、色温和色纯度方面也优于或相当于YAG材料,并且具有较好的芯片适应性和较多的红色成分,是较为理想的应用于白光LED的荧光材料,特别适合于暖白光LED的制备。     

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.     

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。     

稀土离子在KMnF3纳米晶复合玻璃中的微观分布机理

具有单(纯)色上转换荧光发射特性的发光材料,有望在三维显示、照明、生物成像、促进植物生长以及提高太阳能电池光电转换效率等领域得到应用,受到研究人员的广泛关注.本研究通过玻璃热处理析晶的方法,在稀土离子Yb³⁺/Er³⁺共掺的氟硅酸盐玻璃中原位生长出了钙钛矿型的KMn F₃氟化物纳米晶体,并观测到了显著增强的高单色性上转换红色发光.采用具有高分辨率的透射电子显微测试分析技术和第一性原理计算相结合,研究了稀土离子在KMn F₃纳米晶复合微晶玻璃中的掺杂机制,并讨论了稀土离子微观分布和能量传递效应对其上转换发光性能的影响.实验结果表明:稀土离子将通过优先取代KMn F₃晶体中K~+格位的方式选择性富集在具有低声子能量的氟化物纳米晶体中,并由此获得显著增强的上转换发光强度.     

构建NaYF_4:Yb~(3+)/Ho~(3+)/Ce~(3+)@NaYF_4:Yb~(3+)/Nd~(3+)纳米核壳结构增强Ho~(3+)离子的上转换红光发射

三阶Ho~(3+)离子的红光发射位于生物组织的"光学窗口"中,在生物医学领域具有巨大应用前景,增强其红光发射已成为大家关注热点.为此,本文借助外延生长技术构建NaYF_4:Yb~(3+)/Ho~(3+)/Ce~(3+)@NaYF_4纳米核壳结构,并在其外壳中引入不同浓度的敏化离子Yb~(3+)和Nd~(3+)离子,以构建新的能量传递通道,实现Ho~(3+)离子的上转换红光发射增强.实验结果表明:在近红外光980 nm及800 nm激发下,NaYF_4:Yb~(3+)/Ho~(3+)/Ce~(3+)@NaYF_4:Yb~(3+)和NaYF_4:Yb~(3+)/Ho~(3+)/Ce~(3+)@NaYF_4:Yb~(3+)/Nd~(3+)核壳纳米结构均可实现Ho~(3+)离子的红光发射增强,最高可增强6.1倍,主要是由于外壳中的敏化离子可传递更多的激发能给Ho~(3+)离子.同时,研究发现在双波长(980 nm+800 nm)共激发下,NaYF_4:20%Yb~(3+)/2%Ho~(3+)/12%Ce~(3+)@NaYF_4:15%Yb~(3+)/20%Nd~(3+)核壳纳米晶体的红光发射强度明显高于两个单一波长激发下的红光发射强度及其之和,其原因是由双波长共激发的协同效应所致.由此可见,通过引入不同敏化离子构建多模式激发的稀土掺杂纳米核壳结构,不仅可实现上转换红光发射的增强及激发的有效调控,且可为进一步拓展该类材料在生物医学、防伪编码、多色显示等领域中的应用提供新思路.