过渡金属-镱离子协同敏化及金属表面等离激元增强稀土掺杂氧化物上转换发光

The rare earth (RE) and transition metal (TM) ions codoped oxides nanocrystals are prepared by the sol-gel method. The high efficiency of upconversion (UC) luminescence of RE oxides can be realized based on the optimum conditions of doping concentration, doping ratio, sintering temperature, and size of the samples(UC luminescence can be easily observed at a pump power of 30-50 mW/cm2 of 975 nm laser diode). We will build the microscopic dynamics model including the ET processes between the RE and TM ions with considering the effects about exciton and phonon, and analysis the variation law of ET coefficient. Study the effect of metal surface plasmon on the UC luminescence of RE oxides by scanning near-field optical microscope (SNOM) and time resolved transient spectra techniques. Compute the optical properties of surface plasmon of metal nanostructure with Mie theory and Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method. On the basis of experimental and theoretical calculation, analyses the physical mechanisms for enhancement of UC luminescence from RE ions caused by metal surface plasmon, obtains the optimum metal nanostructure for high efficiency of UC luminescence. This project will play an important role for realization of high efficiency of UC luminescence of RE oxides, and on the exploration the metal surface plasmon materials and devices based on the RE elements.

采用溶胶-凝胶工艺制备稀土-过渡金属离子共掺杂氧化物上转换发光纳米晶。优化稀土和过渡金属离子掺杂浓度、掺杂比例、烧结温度、晶粒尺寸及控制技术，在氧化物体系中实现高效上转换发光(975 nm 激光二极管激发，功率密度30-50 mW/cm2条件下即可发光)。建立稀土-过渡金属离子能量传递的微观动力学模型，考虑激子、声子等在能量传递中的作用，解析稀土-过渡金属离子能量传递系数的变化规律。利用扫描近场光学显微技术和时间分辨瞬态光谱技术研究金属表面等离激元对稀土掺杂氧化物上转换发光性质的影响。使用Mie理论、时域有限差分法计算金属纳米结构中表面等离激元光子学特性。实验与理论计算相结合，深入分析金属表面等离激元对稀土离子上转换发光增强的物理机制，优化出对上转换发光效率有极大增强的金属纳米结构。本项目对于实现氧化物的高效上转换发光和探索基于稀土元素的金属表面等离激元材料与器件具有重要意义。

本项目在实现稀土氧化物的高效上转换发光取得显著成果。通过对普通连续能量传递过程原理的突破和创新，利用Yb离子与过渡金属离子形成耦合对，将红外光能量蓄积到过渡金属离子的激发态后，通过高阶激发态能量传递过程敏化稀土离子，从而有效避免氧化物基质材料中非辐射衰减几率较大的缺点，将Er/Tm的绿色/蓝色上转换发光增强约4个数量级。采用975 nm激光二极管激发时，在功率密度为30 mW/cm2条件下肉眼即可观察到明显的绿色/蓝色发光，发光效率达到实际应用水平。该研究成果对于人们设计和扩展稀土发光材料的应用范围具有重要的意义。.在基金支持下，目前已接收发表科技论文30篇，都被SCI收录，其中影响因子大于10的2篇；申请国家发明专利6项,已授权2项。获辽宁省自然科学二等奖，大连市科技进步一等奖，以及辽宁省科技进步三等奖各1项。