电压调控液晶中Au纳米棒增强稀土离子发光机制的研究

Rare earth doped luminescent materials have drawn significant research interest. But, a challenge is always present, which increase fluorescence efficiency further and inhibit fluorescence quenching. We proposed the tunable local surface plasmon resonance (LSPR) from Au nanorods and crystal field. The emission-wavelength and intensity of rare ions can be tailored through altering the effective dielectric constant of nematic liquid crystals (NLCs) via variation of the externally applied electric field. The absorption spectra of Au nanorods have two LSPR wavelengths as an advantage which can cover visible region and near infrared region. The energy transfered from pump light to rare ions can be realized through the enhancement of excitation and emission via variation of applied electric field. The Au-Re compounds will be synthesized via self-assembly process of different organic molecules. By using the different compounds, the effective distance between Au nanorods and rare ions luminescent center can be artificially controlled for avoiding the possible fluorescence quenching. We will improve the fluorescence efficiency for rare ions greatly and obtain a scienticfic research method to control the luminescence of rare ions.

稀土掺杂发光材料的研究是当前的热点，但是稀土材料荧光效率的进一步提高和抑制荧光猝灭一直是个难题，我们拟利用Au纳米棒的局域表面等离子体共振（LSPR）增强稀土离子的发光强度，同时利用电压调节向列相液晶的折射率，来调节LSPR和晶体场环境，进而调控稀土离子的发光波长和强度，最终设计出具有可调性和高效发光的稀土发光材料。利用Au纳米棒的吸收谱具有两个吸收波长以及波长可覆盖可见区域和近红外区域的优势，通过电压调节，利用激发增强和辐射增强，实现泵浦光向发光离子有效的能量传递，最大程度地提高稀土离子的上转换和下转换的发光效率；利用有机体的自组装过程，合成Au-Re络合物，有效地控制发光中心与Au纳米棒之间的距离，从而减少无辐射跃迁。本课题将进一步提高稀土离子的荧光效率，获得一种电光控制调节稀土发光效率的科学方法。

稀土掺杂发光材料的研究是当前的热点，但是稀土材料荧光效率的进一步提高和抑制荧光猝灭一直是个难题，本项目利用金属纳米结构的局域表面等离子体共振（Local Surface Plasmon Resonance, LSPR）效应和改变晶体场环境两种途径，实现了稀土离子的荧光强度和荧光寿命的可调，最终获得具有可调性和高效发光的稀土纳米材料。实验上，一方面，根据LSPR效应：采用成熟的El-Sayed种子生长法制备了不同纵横比（AR）的金（Au）纳米棒，利用自组装方法，包覆Eu-PMMA壳层，通过调节Au纳米棒的纵横比和纳米棒之间的间距，实现了荧光强度和荧光寿命的可调；采用Stöber溶胶凝胶法，制备了不同尺寸大小的Ag@SiO2和嫁接型Ag@SiO2@Eu，研究了荧光强度和荧光寿命随Ag@SiO2的尺寸变化的可调；采用宾–主方法，将向列相液晶4-正戊基-4-氰基联苯，与稀土有机配合物Eu(ttfa)3相结合，然后将Au@SiO2纳米棒掺杂到稀土液晶复合物中，研究了LSPR对Eu3+发光性能的调节；研究了Au纳米棒对Sm3+/Er3+/Yb3+磷酸盐发光薄膜的发光强度的影响；利用相变温度方法，制备了掺杂不同浓度的Ag和Au纳米球颗粒的向列相液晶5CB复合样品，研究纳米球颗粒的LSPR效应对5CB发蓝光的增强。另一方面，改变晶体场环境：利用高温熔融方法，研究了Yb3+/Er3+ 共掺的磷酸盐玻璃和玻璃陶瓷的可见与近红外区域的发光特性，同时应用其光热转换效率对其发光性质进行了分析和验证；将Eu3+掺杂在PMMA中，制备成Eu-PMMA有机玻璃，研究了Eu3+浓度的增加对样品的发光性能和光热转换特性的影响；研究了水热法制备的Na3PO4:Ce3+/Tb3+/Er3+纳米荧光粉的荧光特性。最后，基于表面等离子体在拓扑绝缘体研究领域的重要性，利用摩擦技术制备了Bi2Se3纳米片薄膜，研究了Bi2Se3薄膜光热转换特性。理论上，采用时域有限差分方法（Finite Difference Time Domain, FDTD），研究了Au和Au@SiO2纳米棒的LSPR效应对发光中心为615 nm的发光分子发光特性的影响；Ag和Au纳米球的LSPR效应对发光中心为420 nm偶极子场的影响，金属纳米颗粒与发光偶极子共同存在时局域场场强明显增强;研究了拓扑绝缘体Bi2Se3的表面等离子体效应。