单分散MDM纳米腔大幅增强稀土上转换发光效率的机理研究

Rare earth upconversion nanoparticles (UCNPs) absorb near infrared light and emit visible light. How to greatly enhance the luminescent efficiency is the key to solve the bottleneck of its practical application. Traditional methods with surface plasmon (SP) in metal nanostructures may cause incompatible problem among the luminescent efficiency, monodispersity and adjustability of materials, and the enhancement mechanism is still not clear.Our previous work showed that metal-dielectric-metal (MDM) nanocavities have high local field efficiency and controllable optical properties. Therefore, we propose to construct an MDM nanocavity structure with Ag nanoparticles as metal core, UCNPs as medium and Ag layer as shell to accommodate the tunability of high efficient luminescence and monodispersity.This project studies the process and key parameters of monodisperse MDM nanocavity composite upconversion materials prepared by full solution method; explores the internal relationship between band matching and energy transfer of crystal growth conditions, Ag layer thickness and SP-UCNPs, and obtains the convenient control factors of rare earth upconversion luminescence enhancement; furthermore, reveals the mechanism of upconversion luminescence enhancement in the composite materials, so as to provide theoretical basis and technical support for promoting the application of UCNPs in many fields such as photovoltaic devices and biomedical treatment.

稀土上转换发光纳米粒子(UCNPs)吸收近红外光而发射可见光，如何大幅增强发光效率是突破其实际应用瓶颈的关键。传统利用金属纳米结构的表面等离子体(SP)增强方式在材料发光效率、单分散性和可调控性之间存在不兼容的问题，且增强机制不详。我们的前期工作表明金属-介质-金属(MDM)纳米腔具有高效局域场和光学性质可控的特点，因此提出构建Ag纳米粒子为金属内核、UCNPs为介质、Ag层为壳的MDM纳米腔型结构来兼容高效发光可调和单分散性的设想。本项目研究全溶液法制备单分散MDM纳米腔复合上转换材料的工艺方法和关键参数；探究晶体生长条件、Ag层厚度与纳米腔SP-UCNPs之间谱带匹配和能量传递的内在关联，获得稀土上转换发光增强的便捷调控因素；进而揭示该复合材料中的上转换发光大幅增强机理，为推进UCNPs在光伏器件和生物医疗等诸多领域的应用提供理论基础和技术支持。

稀土上转换发光纳米粒子(UCNPs)能吸收近红外光而发射可见光，在新能源电池和生物医疗成像领域有重要应用前景。本项目针对稀土上转换发光纳米粒子效率偏低、增强机理不明的问题，以MDM纳米腔复合稀土上转换材料为研究对象，旨在寻求大幅度增强稀土上转换发光的新途径，实现发光效率的有效调控和进一步提升，以满足新型光伏器件和生物传感器中对高效率光转换纳米材料的需求。主要研究内容包括：探究稀土上转换纳米材料的可控界面修饰策略及其对光学性质与能量传递的影响规律，研究单分散MDM纳米腔局域场的构建工艺及对荧光材料与器件性能的增效作用，探究纳米腔表面等离子体与稀土上转换发光材料之间谱带匹配和能量传递的内在关联，进而阐明纳米腔耦合上转换材料发光的增强机理。本项目研究过程中严格按照预期计划执行，对研究计划中所涉及的关键科学问题和研究内容进行了系统的研究，获得以下重要结果：1）提出了稀土上转换纳米晶体的可控界面修饰策略，揭示了其对光学性质与能量传递的影响规律；2）探究了单分散MDM纳米腔局域场调控对荧光材料及器件性能的增效作用，并实现了稀土上转换发光两个数量级及以上的大幅增强；3）阐明了纳米腔等离子体耦合稀土上转换纳米材料复合结构的荧光增强机理；4）实现了基于纳米腔离子体增强的稀土上转换发光在高性能传感器领域的应用。项目研究成果主要以学术论文的形式发表在相关领域具有影响力的SCI期刊上，共计11篇，依托本项目培养了硕士研究生5名，总体上完成了项目研究预期目标。上述研究发现与成果为阐明表面等离子体在增强稀土上转换发光中作用机理、推进稀土上转换发光材料在光伏器件和生物传感等诸多领域的应用提供理论基础和技术支持。