光-磁双功能复合纳米材料的制备及性能研究

Multifunctional nanocomposites, which intergated different properties and functions nanomaterials into a nanodevice, providing new materials and energy in modern science research and development. However, in the optical-magnetic bifuctional nanocomposites, the Fe、Co、Ni ions can result in luminescence quenching due to their strong absorption in optical wavelengths. Therefore, in this project, we design the Bi4Bin-3Fen-3Ti3O3n+3 (BFTO) /SiO2/NaYF4:Yb3+,Er3+ nanocomposite, and optimize this nanostructure by following methods: (i) change the BFTO morphology, the doping ions (Co/Ni, etc.) or concentration in Fe site and the number of perovskite layers (n) (ii) adjust the SiO2 thickness (iii) change the NaYF4 morphology or the rare earth luminescent ions doped in NaYF4. This project is to study how to enhance the upconversion intensity while having no influence on magnetism in the nanocomposites, and to research the interaction between the optical and magnetic. Hence, the nanocomposite materials lay the foundation for biological diagnosis and therapy, multifunctional device and solar cells.

多功能复合纳米材料，是将具有不同性质和功能的纳米材料整合到一个纳米器件中，从而为现代科学的研究及发展提供新材料和新能源。然而，在光-磁双功能复合纳米材料中，磁性纳米材料中的Fe、Co、Ni等离子在光学波段有较强的吸收，会导致发光材料的淬灭。本项目通过设计Bi4Bin-3Fen-3Ti3O3n+3 (BFTO) /SiO2/NaYF4:Yb3+,Er3+复合纳米结构，研究通过改变BFTO纳米材料的形貌，改变BFTO中Fe位磁性离子的掺杂离子（Co/Ni等）或掺杂量，改变BFTO的层数（n）；调节SiO2层的厚度；改变上转换发光材料NaYF4的形貌或稀土发光离子掺杂等，来优化BFTO/SiO2/NaYF4:Yb3+,Er3+复合纳米结构。研究在不降低复合纳米材料磁性的同时，增强上转换发光的强度，以及研究光磁之间的相互作用。为该类材料在生物诊断和治疗、多功能器件和太阳能电池等方面的应用奠定基础。

光-磁双功能复合纳米材料是多功能复合材料中具有较好应用前景的材料之一，在生物学诊断和治疗、多功能器件和太阳能电池等方面均起到重要的作用。然而，磁性纳米材料中的Fe、Co、Ni等离子在光学波段均有很强的吸收，会导致发光的淬灭，也限制了光-磁双功能复合纳米材料在科学研究中的更广泛的应用。因此，该项目围绕Bi4Bin-3Fen-3Ti3O3n+3 /SiO2 /NaGdF4:Yb3+, Er3+复合结构，展开了如下研究：（1）水热法中，调节NaOH的浓度为1.00M, 1.50M和2.00M，分别得到纳米薄片，纳米板和截角的四角双锥Bi6Fe1.9Co0.1Ti3O18，从而制备出不同形貌的Bi6Fe1.9Co0.1Ti3O18/NaGdF4:Yb3+, Er3+复合纳米结构。其中，截角的四角双锥的复合结构的铁磁性较好，Mr（剩余磁化）=0.16emu/g，矫顽场（Hc）=1092Oe。纳米薄片的复合结构的上转换发光性能最佳；（2）水热法合成Bi6Fe2-xCoxTi3O18（x=0-0.5）， 随着Co离子的掺杂浓度的增加，产物厚度变薄，边长变长；比表面积增加，由7.267增加到27.109m2∙g-1；带隙值随之减小，由2.576降至2.201eV；x=0.5样品紫外光光催化效率达到最强。此外，材料由顺磁性（x=0）变为铁磁性（x=0.1-0.5）。x=0.2的样品具有最大的剩余磁化(2Mr= 0.27 emu∙g−1)；x=0.1的样品具有最大的矫顽场 (2Hc=1600 Oe)；x=0.5样品具有最大的饱和磁化强度(2.15emu/g)。（3）化学方法逐步合成了Bi6Fe1.9Co0.1Ti3O18（BFCTO） /SiO2 /NaGdF4:Yb3+, Er3+(NGF)复合纳米结构，通过调节SiO2层的厚度，研究了上转换发光强度和铁磁性的变化。SiO2层的厚度分别为0 nm, ~8 nm, ~13 nm, ~18 nm, ~25 nm 和~36 nm。结果表明，当SiO2层的厚度为~36 nm时，上转换发光强度最强。此外， BFCTO/∼13nm SiO2/NGF具有最大的剩余磁化， 2Mr=0.13emu∙g−1；BFCTO/∼36nm SiO2/NGF具有最大的矫顽场， 2Hc=1200Oe；BFCTO/∼8nm SiO2/NGF具有最大的饱和磁化强度。