稀土氟化物纳米晶上转换荧光的单颗粒检测

Single particle detection technology based on AFM prober is a powerful method to recover unique luminescent properties of nanophosphors in depth, and realize near-field manipulation to spontaneous radiation. We propose to employ this technique to study the upconversion properties of rare earth-doped fluoride nanocrystals, reveal the dependence of emission and energy transfer (ET) processes on size and structure of anisotropic nanoparticles; We plan to realize the accurate manipulation and movements from upconversion nanoparticles to “hot spots” of Au-Ag alloy nanoparticles and photonic crystals，and obtain optimum enhancement of upconversion luminescence through local field enhancement (plan to approach to 105). Combining FDTD stimulation, we project to reveal the microscopic essential of upconversion enhancement in photonic crystal-metal nanostructure-upconversion nanocrystal hybrids and quantitatively determine the contribution of Purcell effect and excitation field enhancement. This project will offer important academic and experimental proof for obtaining more efficient rare earth doped upconversion phosphors.

基于AFM探针的单纳米粒子荧光检测技术是揭示纳米材料独特发光属性，实现自发辐射近场调控的强有力手段；本项目拟利用该技术研究稀土氟化物纳米晶的上转换发光，深入揭示各向异性的稀土上转换纳米晶发光与能量传递过程的尺寸与结构依赖性及其物理实质；实现上转换纳米晶到贵金属Au-Ag合金纳米材料/三维光子晶体 “Hot Spots” 的精确操纵与移动，通过局域场效应获得优化的上转换荧光增强，预期达到5个量级; 结合局域电磁场的FDTD模拟，揭示光子晶体-贵金属-稀土上转换纳米晶复合结构中稀土上转换荧光增强的微观物理实质；量化确定Purcell效应与激发场增强效应的贡献。本项目将为构筑高效的稀土上转换发光材料提供重要的理论和实验依据。

本项目主要成果如下：（1）利用原子力显微镜（AFM）搭载原位的荧光光谱及动力学测试系统，利用局域光场调控的手段对单个纳米颗粒的上转换发光特性进行了多角度、全方位的探索。利用局域场调制单个NaYF4: Yb3+, Er3+ 与NaYF4: Yb3+, Er3+@MnO2 NP的上转换发光强度，使上转换发光分别增强了约1600和1400倍。（2）利用AFM探针操控单个上转换纳米离子相对金纳米棒（Au NRs）的空间位置变化，得到当两根Au NRs以夹角180°排列时，中心位置处为电场集中区域对UCNP的增强效果最强，增强因子达到82.4倍。（3）提出利用上转换纳米材料，开发新一代的多光谱选择性的近红外光电探测技术。基于MAPbI3/CsxWO3/NaYF4 (15 nm)/单层-NaYF4:Yb3+,Er3+@NaYF4:Yb3+,Tm3+复合结构，制备了高性能的窄带近红外光电探测器（PDs）。（4）设计了一种新型的基于介电微珠微透镜阵列的光汇聚作用与贵金属等离子体的LSPR效应的级联放大策略，使UCNPs的UCL强度增强了四个数量级的。（5）采用自组装制备了Ag/PMMA OPC复合结构，通过表面等离子体效应和光子晶体的共同作用，使CsPbCl3钙钛矿量子点复合膜的发光强度提高了150倍，发光量子效率由5%提高到51.5%，可以通过FDTD模拟对其荧光进行定量的调控。在此基础上制备了柔性的紫外光电探测器。受该项目资助共发表学术论文61篇，其中影响因子大于10论文15篇，申请国家专利11项，国内外学术会议上邀请报告13次。