光子带隙结构调制下稀土发光体的上转换发光性质研究

上转换发光受多声子驰豫、基态和激发态吸收不强等因素影响导致其发光效率较低，且发光过程难以操控。光子带隙结构不仅可以通过对材料中光子态密度的改变来调制其自发辐射，而且还可以增强光与物质的相互作用来提高材料的发光性能；为调制稀土发光体的上转换发光性质提供了一种有效的手段。本课题拟制备具有上转换发光的稀土离子掺杂的光子带隙材料，通过对光子晶体周期结构进行设计，实现光子带隙对上转换发光体的中间激发态辐射跃迁过程的调制，研究中间激发态光子的自发辐射与激发态吸收之间的竞争关系对稀土离子的上转换发光机理及其发光过程的影响；以及研究光子带隙位置与高能激发态的辐射跃迁能量或稀土离子吸收波长能量匹配时光子晶体的上转换发光性质，探索稀土离子发光体的上转换发光与光子带隙调制关系的基本规律。本项目研究的结果无论是对上转换激光器还是对上转换三维立体显示材料的应用都具有重要的理论和现实意义。

上转换发光在激光器、三维立体显示及防伪等方面具有潜在的应用价值。稀土离子的上转换发光受多声子弛豫和激发态吸收弱等因素影响导致其发光效率较低，限制了其应用。光子晶体不仅可以通过对材料中光子态密度的改变来调制其自发辐射，而且还可以增强光与材料的相互作用来提高其发光性能，为调制稀土离子的上转换发光性质提供了一种有效的思路和方法。项目针对稀土离子上转换发光不易调控及发光弱等问题，研究了光子带隙结构调制下稀土离子的上转换发光性质。. 将亚微米微球自组装过程和溶胶-凝胶方法相结合制备了钛酸盐和磷酸盐等一系列材料体系构成的稀土上转换发光体基反蛋白石光子晶体，并对光子带隙附近的上转换发光性质进行了研究，建立了稀土离子的上转换发光与光子带隙调制关系的基本规律。光子带隙和稀土离子的上转换发射峰重叠时，光子带隙抑制其发射，当光子带隙的带边和上转换发光重叠时，上转换发光得到增强。. 研究了光子带隙调控对稀土离子的中间激发态的自发辐射与激发态吸收的竞争关系对其短波长上转换发光的影响。研究证实，光子带隙抑制稀土离子的中间激发态的上转换发射可以增强其激发态吸收，从而提高稀土离子的短波长上转换发光，为解决上转换发光中激发态吸收弱和中间激发态不可调控的问题提供了一种有效的办法。. 制备了Yb3+, Er3+共掺杂的NaYF4纳米颗粒/蛋白石光子晶体复合材料，研究了光子带隙改善稀土离子的受激状态对其上转换发光的影响，证实当激发光和蛋白石光子晶体的光子带隙重叠时，光子带隙效应与激发光发生有效的耦合，改善了稀土离子的受激发效率，从而增强了稀土离子的上转换发光。制备染料掺杂的结晶化胶体晶体阵列，研究了光子带隙改善发光体对激发光的吸收效率和受激状态对其上转换发光的影响。结果证实当激发光与光子带隙的带边重叠时，光子晶体中发光体的上转换发光得到增强，这是由于光子带隙的慢光子效应增强发光体的吸收效率引起的。. 制备了稀土Yb3+，Er3+，Tm3+三掺的Y2Ti2O7反蛋白石光子晶体，研究了光子带隙对Er3+和Tm3+的上转换发光性质及能量传递机理的影响。结果表明通过光子带隙抑制给体Er3+的上转换发射可以增强Er3+和Tm3+之间的能量传递，从而提高受体Tm3+的上转换发光，为解决稀土发光体中能量传递弱的问题提供了一种可行的方法。