稀土掺杂氟化物/碳点复合材料的设计、可控制备与光谱调控研究

In recent years, upconversion materials have attracted tremendous attentions due to their various potential applications in lighting, display, photovoltaics, biomedicine, and so on. The red region and the near infrared (NIR) spectral range are considered as an “optical window” for biological tissues. Therefore, bringing the emission peaks of upconversion nanomaterials into the “optical window” is of significant importance for biomedical applications. To optimize properties of upconversion materials and develop their new applications, researchers have moved their research emphasis from single material to composites gradually. This project is designed to fabricate composites by appropriate rare earth doped fluorides and carbon dots because of the fluorescence advantages of carbon dots. The upconversion properties of the composites will be studied. The effects of doped-rare earth ions, component type, composited way and excitation power on the upconversion properties of composites will be investigated in detail. The relationship and energy transfer mechanism between fluorides and carbon dots will be disclosed. The fine tuning of upconversion emission will be realized and strong red and NIR upconversion emission will be achieved. This work will favor better understanding of properties of upconversion materials, providing theoretical and experimental basis for the fabrication of high-efficient upconversion materials.

上转换发光材料在照明、显示、光电转换、生物医药等方面具有广泛的应用前景，近年来引起了极大的关注。红光和近红外光被认为是生物组织的“光学窗口”，调节上转换纳米发光材料的发射波长使其落在“光学窗口”波段在生物医学应用上具有重要意义。为了优化上转换发光材料的性能及利用其特性开拓新的应用领域，国内外学者已逐渐将研究重点从单一材料转向复合材料。本项目拟利用碳点的荧光优势，选择合适的稀土掺杂氟化物上转换纳米材料和碳点，构建基于稀土掺杂氟化物与碳点的复合材料，研究复合材料的上转换发光性能，系统研究掺杂离子种类和浓度、组分类型、复合方式及激发光功率等对复合材料上转换发光的影响，揭示稀土掺杂氟化物与碳点之间的相互关系及能量传递机制，实现复合材料的上转换发光调控并获得增强的红光或近红外光上转换发射。该研究将有利于深入了解新型上转换发光材料的特性，为设计高效上转换发光材料提供理论和实验依据。

上转换发光材料在照明、显示、光电转换、生物医药等方面具有广阔的应用前景，近年来引起了极大的关注。随着对上转换发光材料研究的不断开展及深入，为了优化上转换发光材料的性能及利用其特性开拓新的应用领域，国内外学者逐渐将研究重点从单一材料转向复合材料。本项目利用碳点的荧光优势，选择合适的稀土掺杂氟化物上转换材料和碳点，构建基于稀土掺杂氟化物与碳点的复合材料，主要研究内容及结果如下：.1. 双模发光NaYF4:Yb,Tm@SiO2/CDs纳米复合材料的制备、性能研究及应用。我们首次利用SiO2将稀土掺杂氟化物和蓝光碳点进行复合，发现碳点嵌在NaYF4:Yb,Tm表面的SiO2层中，该纳米复合材料具有良好的上/下转换双模发光特性，可应用于防伪、离子检测及生物成像等领域。.2. 红光/近红外光上转换发光增强的稀土掺杂氟化物/碳点复合材料的制备、性能分析及能量传递机理研究。我们制备了NaYF4:Yb,Er(Tm)微米盘颗粒，再选用一种红光碳点，利用TEOS水解将两种材料进行复合，首次获得一种具有上转换红光和近红外光发射增强的复合材料，研究发现碳点可充当亚能级调节稀土离子不同能级的能量传递，这种策略为上转换材料的发光调控提供了新的途径。.3. NaYF4:Eu@CDs纳米复合材料的构建及其多功能应用。我们利用三价铕离子和CDs的发光特性并结合NaYF4的可控性，构建了具有稳定结构的NaYF4:Eu@CDs纳米复合材料，该材料可应用于离子检测、温度传感及白光LED，进一步拓展了稀土氟化物/碳点复合材料的研究。.4. 上转换红光增强的NaYF4:Yb,Er@CDs纳米复合材料的制备及其在植物中的应用。我们获得一种上转换红光增强的NaYF4:Yb,Er@CDs纳米复合材料，用其溶液培养豆芽七天，发现浓度为0.5 mg/mL时对豆芽生长具有最佳的促进作用，该材料可进入豆芽体内到达根、茎和叶并可应用于植物成像。.5. 单分散稀土氟氧化物及荧光碳点的合成及其发光性能的研究。我们通过拓扑化学转化法获得一系列单分散稀土氟氧化物，利用水/溶剂热法获得多种具有不同发光性能的碳点，为构建不同类型复合材料奠定了研究基础。.本项目的研究有利于深入了解稀土掺杂氟化物/碳点复合材料的发光特性，对开发高效上转换发光材料及拓展稀土发光材料和碳点的应用具有积极的促进作用。