基于核壳纳米结构设计的稀土上转换发光调控与机理研究

Photon upconversion of rare earth ions has shown great potential in applications ranging from lasers, displays, sensing to bioimaging due to its outstanding spectral performance including tunable emission wavelength, narrow band width, rich spectral lines, high signal-to-noise ratio, and so on. Our recent research indicated that an in-depth demonstration of fundamental process of photon upconversion involving rare earth ions at nanoscale would help the understanding of the luminescence mechanism, and moreover guiding the design of the nanocrystal-based functional materials and devices. In this proposal, the upconversion emission property and luminescence dynamics of rare earth ions in nano-sized host are going to be investigated by using the core-shell-based nanostructure design, and the physics of interactions together with their critical distances concerning energy transfer and energy migration will be demonstrated at nanometer-length scale. Through spatially controlling the doping of rare earth ions and regulating their interactions in the core-shell-based nanostructure, the new type of upconversion luminescence mechanism will also be studied, aiming to obtain the fine tuning of photon upconversion from more rare earth ions besides Er, Tm and Ho, and achieve effective approach for enhancing upconversion luminescence. We believe that the research proposed here would contribute greatly to the fundamental research of rare earth luminescence, the development of novel upconversion materials and their applications in both experiments and theory.

稀土离子上转换发光因其具有发射波长可控、带宽窄、谱线丰富、高信噪比等优异的光谱学性能而在激光、显示、传感、以及生物成像等领域表现出重大应用潜力。我们近期研究表明深入揭示纳米尺度上稀土离子上转换发光的基本物理过程不仅有助于深刻理解稀土发光原理，对于设计开发新型光功能材料和器件也具有重要指导意义。本项目拟以精确可控的核壳结构为基础，系统研究纳米基质中掺杂稀土离子上转换发光调控及其动力学过程，阐明纳米尺度上能量传递、能量迁移等过程的基本物理规律和相互作用的临界距离。通过纳米尺度精确调控稀土掺杂和空间分布以及它们之间的各种相互作用，实现包括Er、Tm、Ho在内的多种稀土离子上转换光谱精细调控，探索与构建能量传递上转换机理之外的发光物理机制概念模型，获得提高上转换纳米晶体材料发光效率的新方法。本项目的研究与探索将为稀土上转换发光基础研究、新型材料体系开发以及应用提供实验支持和理论指导。

稀土上转换发光在激光、显示、传感以及生物成像与诊疗等领域具有重要应用。与传统宏观块体材料和常规纳米材料相比，如何在微观尺度阐明稀土离子发光的基本特征和主要的能量过程对于深入理解稀土光谱学、设计新型发光材料体系以及进一步推动相关前沿应用具有重要科学意义。本项目以结构可控的高品质稀土纳米晶为基础，系统开展了微观尺度稀土发光应用基础研究。经过本项目的开展，掌握了纳米晶化学生长工艺与其结构设计、形貌尺寸、发光学特性之间的物理规律，获得粒径精确调控的单分散纳米粒子以及一系列纳米核壳结构和精细可控的多层纳米核壳结构。通过构建和优化界面能量传递（Interfacial Energy Transfer, IET）模型，实现了一系列稀土离子覆盖近紫外和可见光波段且发射波长可控的高效上转换发光及光谱精细调控。进一步通过构建光子阻塞效应，在单个纳米粒子上实现了红绿、红蓝正交发光，以及稳态激发红绿蓝三基色正交发光，大大简化了之前采用的复杂的非稳态激发系统。以IET为基础，提出了研究能量传递的新策略，初步得到了纳米尺度上敏化剂到激活剂的能量传递和敏化剂能量迁移等相互作用的基本特征与物理规律。此外，也尝试研发了新型发光材料体系（如LiLnF4），探索了增强稀土纳米晶上转换发光的新途径（如增强EMU发光）。上述研究结果充分表明纳米结构设计是研究微观尺度稀土发光基础问题的一个有效策略，不仅得到了微观尺度稀土离子的发光特征与基本规律，而且为进一步深化稀土发光基础研究提供了重要理论指导和实验基础。