新型阴/阳离子（F−/X+）共掺杂策略对氧化物上转换发光纳米晶体的镧系发光增强及荧光测温性质调控研究

Upconversion luminescent nanocrystals possess excellent luminescent properties, and exhibit extremely high value of practical application in many fields, such as temperature sensing, biomedical imaging, photodynamic therapy, fingerprint extraction, solar cells, and 3D displays. Luminescent thermometry is a non-contact thermometric technology with high spatial resolution, which could be applied in some special thermometric fields. However, lower upconversion efficiency remains one of the main hurdles on the way to actual use of upconversion nanocrystals. In the previous work, the applicant conducted a series of research on controlled synthesis, upconversion luminescent properties and energy-transfer mechanism, luminescent thermometry of NaGd(MoO4)2 micro/nanocrystals. In this project a novel multifunctional anion/cation co-doping strategy is proposed. Taking NaGd(MoO4)2 nanocrystals as an example, we intend to study the enhancement of upconversion luminescent, regulation of luminescent thermometry properties, and their underlying mechanisms by co-doping F−/X+ (X+ = Li+, Y3+ or La3+) into matrix lattice. The implementation of this project will provide scientific support and theoretical basis for the enhancement of upconversion luminescence and regulation of luminescent properties by the novel anion/cation co-doping strategy.

上转换发光纳米晶体具有优异的发光性质，并在荧光温度传感、生物医学成像、光动力治疗、指纹检测、太阳电池、三维显示等方面展现了极高的应用价值。其中荧光温度传感属于非接触式测温，且空间分辨率高，可以用于特殊的测温领域。然而，镧系掺杂纳米晶体较低的上转换发光效率仍是制约其实际应用的主要障碍之一。在前期工作中，申请人对镧系掺杂NaGd(MoO4)2微/纳米晶体的可控合成、上转换光致发光性质及其能量传递机理、荧光温度传感特性等开展了一系列研究工作。本项目提出了一种新型的多重功能阴/阳离子共掺杂策略。拟以NaGd(MoO4)2纳米晶体为例，将F−/X+（X+ = Li+、Y3+或La3+）等共同掺入基质晶格之中，系统研究其对镧系上转换发光的增强及发光性质（荧光测温性质等）的调控等，并揭示其内在机理。本项目的开展可以为新型阴/阳离子共掺杂策略对纳米晶体上转换发光的增强与性质调控提供科学依据和理论基础。

稀土光学功能纳米晶体在生物医学、信息光子学、传感与检测等领域具有极高的应用价值，并已成为相关研究领域的研究热点之一。本项目围绕稀土光学功能纳米晶体，在新型基质结构与可控合成、新颖的上转换发光与光热转换性质及其效率提升、能量传递电子跃迁路径等方面，开展了一系列创新性研究探索工作。在固溶体Na(Gd/La)(MoO4)2:Yb3+/Er3+纳米晶体中，由于固溶体基质对稀土激活离子局域晶体场的调控，其光热转换效率和上转换发光效率同时得到提升；多功能NaGd(MoO4)2:Yb3+/Tm3+及α-NaYbF4:Tm3+纳米晶体颗粒，在980 nm激光激发下表现出上转换光致发光与高效光热转换的双重光学功能，并对相关机理进行了详细探究；α-NaYbF4:Tm3+纳米晶体颗粒还呈现出自敏化紫外上转换发光和高效的光热转换的新颖性质，光热转换的斜率效率约为100.48 °C/W。基于不同激发功率的上转换发光强度变化等，分析了NaLa(MoO4)2:Yb3+/Ho3+微米晶体中上转换发光电子跃迁路径，并通过能量传递中的“能级失配”及荧光寿命分析进行了验证。另外，还实现了具有不同上转换发光颜色和荧光寿命的氟化物纳米/亚微米晶体的物相选择性合成。本项目的研究成果，为稀土光学功能纳米晶体材料相关的基础研究与实际应用提供了材料基础与可参考借鉴的研究思路。本项目相关研究内容发表了SCI学术论文九篇、已录用Book Chapter（Springer出版）一篇、申报中国发明专利三项（其中一项正在授权程序中）、在相关学术会议上作口头学术报告两次（其中获ICL2020 Special Contribution Award荣誉表彰一项）、一篇研究论文获得河南省教育厅优秀科技论文二等奖。此外，项目负责人获评为“河南省教育厅学术技术带头人”。