Er3+-Yb3+体系上转换红光激发路径的研究

The Er3+-Yb3+ system is recognized as one of the excellent systems of upconversion luminescence and it shows a green emission and a red emission. The applicant previously found a new excitation route for the red emission in Y2O3:0.2%Er3+/10%Yb3+. The new route is a process of forward-backward energy transfer between Er3+ and Yb3+ and it makes the main contribution to the red emission. The applicant also observe that the Er3+ 4I13/2 state is effectively populated vs energy transfer from Yb3+ in case of a large energy mismatch, indicating that this long neglected process can make a remarkable contribution to the red emission. In this project, we plan to select Er3+ and Yb3+ co-doped efficient upconverting materials as samples and study the role of the new excitation routes in the excitation of the red emission as a function of doping concentrations and phonon energies. This study is helpful to improve the excitation mechanism of the red emission and reunderstand the excitation processes and the main excitation route, and provide theoretical guidance for the design of efficient upconverting materials based on the Er3+-Yb3+ system.

Er3+-Yb3+体系是公认的最优良的上转换发光体系之一，能产生上转换绿光和红光。申请人在Y2O3:0.2%Er3+/10%Yb3+中发现一个基于Er3+、Yb3+离子间往返能量传递的红光激发新路径，并且该路径对产生上转换红光起主导作用。还观察到大能量失配下Yb3+的能量传递向Er3+ 4I13/2能级的直接有效布居，表明这个通常被忽视的过程对红光有显著贡献。本项目拟选择几种Er3+-Yb3+共掺杂的高效上转换发光材料为对象，利用能量传递和发光动力学实验方法，研究上述新路径对红光的贡献程度及其与Er3+、Yb3+掺杂浓度和基质声子能量的依赖关系，完善Er3+-Yb3+体系上转换红光的现有激发机制、重新认识激发过程和主要激发路径，并为设计基于Er3+-Yb3+体系的高效上转换发光材料提供理论指导。

Er3+-Yb3+组合是最典型上转换发光体系，在近红外980nm激发下，具有绿光和红光发射带。以往研究认为，红光发射的激发主要来自下能级4I13/2向红光能级的布居。本项目研究红光发射的新激发机制及其新应用，发现红光能级存在往返能量传递新激发机制，使得绿光能级到下面红光能级的高效布居成为主导；还发现红光的高效三光子激发。以往认为，绿光发射和红光发射都是为双光子激发过程，发射强度与激发功率呈平方关系。红光高效三光子激发的获得，使得红光发射强度与激发功率立方关系，因此，随激发密度增加，红光相对绿光增强，导致上转换发光颜色发生变化，由此，提出将该依赖于激发功率的发光颜色变化用于荧光防伪和高分辨率成像。本项目在多种材料中发现了红光激发的新机制，包括ZrO2, y2O3, YF3, CeO2, BaY2O4, NaYF4等， 探索其在太阳能电池、光学测温、光催化产氢，分子识别等技术中的应用可能。观察到新机制引起上转换以红光为主，该机制发生在最近邻离子对间，是快过程。本项目拟选择几种Er3+-Yb3+共掺杂的高效上转换发光材料为对象，利用能量传递和发光动力学实验方法，研究上述新路径对红光的贡献程度及其与Er3+、Yb3+掺杂浓度和基质声子能量的依赖关系，完善Er3+-Yb3+体系上转换红光的现有激发机制、重新认识激发过程和主要激发路径，该新机制的发现与研究将为设计Er3+-Yb3+共掺杂上转换材料提供了新策略，并拓展了其应用范围。发表论文 26 篇； 培养毕业博士研究生 3 人； 在国内外学术会议作邀请报告 3 人次； 授权中国发明专利 1 件； 申请中国发明专利 1 件。