基于生物成像应用的长余辉发光材料的载流子可控释放及余辉机理研究

Recently, near infrared long persistent luminescence materials have been widely concerned due to unique advantages, such as no auto-fluorescence effect of the tissue and high revolution imaging with deep penetration, as a tool for in vivo imaging and diagnosis applications in living animals.The long persistent materials with limited carriers can hardly satisfy the application because of suitable for timely and long-term observation of in bio-image. In this work, we aim at to realize the persistent luminescence with controllable detraping in near infrared long persistent luminescence materials. In this research, a comprehensive understanding of the process for trap and detrap of carrier will be proposed by investigation of the relationship between trap depth and photostimulate wavelength. The afterglow mechanism will be also proposed, based on the investigation of intrinsic properties of defects and carriers captured process by studying the defect structure. The results are of importance not only for designing and developing the. The results are of importance not only for designing and developing the persistent phosphors with long wavelength emission, but also for understanding the mechanism of persistence performance.

近年来，基于近红外长余辉荧光探针的生物医学成像技术，因其在成像过程中能有效避免了原位激发产生的背景干扰，进而保证高的信噪比、高荧光探针植入深度等巨大优势，其发展引起了全球广泛关注。然而，近红外余辉材料中有限的载流子难以满足长时间生物成像的需求。为解决此问题，本项目拟以近红外长余辉材料为研究对象，以载流子可控释放为目标，以协同调控陷阱深度为切入点。系统探索设计、控制陷阱深度的有效方式，构建新型近红外长余辉发光材料；研究陷阱深度与光激励波长的关系，实现光激励诱导载流子的释放，达到载流子可控释放的目的。探究光激励诱导载流子释放及再俘获过程。探究近红外余辉的内在物理机制。本项目的开展有望促进近红外长余辉材料在生物活体成像领域的应用，明确载流子俘获、释放及传递过程，探索微观组成结构变化对材料发光和陷阱的影响机制，为近红外长余辉发光材料的设计、研发和应用提供新的思路和理论依据。

长余辉发光材料在众多领域有着巨大的应用前景，如：生物医学成像技术、光学防伪、AC-LED等方面。长余辉发光材料中载流子的可控释放是推进相关应用的关键。而陷阱控制着载流子释放方式及速度。因此根据应用场景需要设计陷阱、有效调控陷阱深度是长余辉发光材料研究的重点。本项目以开发新型长余辉材料和实现载流子可控释放为目标，开展余辉材料设计合成、光谱学特性研究，揭示余辉发光的物理机制，推进相关应用，具体研究包含了以下几个部分：设计合成了稀土离子/过渡金属离子掺杂Sr3Ga4O9、Ca5Ga6O14等镓酸盐和 Ca4Nb2O9，CaNb2O6，NaNbO3等铌酸盐为基质的发光材料，通过稀土离子Pr3+、Tb3+、Eu3+、Sm3+、Dy3+，过渡金属离子Mn4+、Bi3+、Cr3+等发光中心掺杂，系统研究了这些材料的光致发光性能，构建合适的陷阱结构，调控余辉性能，研究其余辉发光特点，并利用热释光技术探究有效陷阱的深度与分布情况。根据陷阱分布情况和陷阱深度，调控载流子释放，研究了Sr3Ga4O9、Ca5Ga6O14等镓酸盐和Ca4Nb2O9，CaNb2O6，NaNbO3等铌酸盐为基质的余辉发光材料载流子的可控释放。设计合成的Ca5Ga6O14：Pr3+长余辉发光材料，达到10.3小时，余辉初始亮度达到41.49mcd/m2，在X-ray激发下依然呈现余辉发光；设计合成的Sr3Ga4O9：Tb3+/Bi3+，掺杂Bi3+的样品呈现2个独立的热释光峰，余辉时间达到6.5小时，其中掺杂5%Tb3+的样品余辉时间超过7小时,并研究了该材料载流子可控释放，探究在光学防伪方面的应用。设计合成了Ca4Nb2O9:Pr3+红色余辉材料。光致发光光谱表明该材料可被蓝光有效激发产生红光发射，不同温度下的发光光谱表明该材料有良好的热稳定性。该材料陷阱深度较浅，因此材料具有短余辉特性，可作为匹配交流LED用的发光材料。设计合成了新型长余辉材料CaNb2O6: Tb3+，该材料在高温环境中仍然具有长余辉特性，表明该材料可作为可视化温度传感特性的稀土发光材料。