光子带隙调控稀土离子的上转换发射对其近红外发光性质及机理的影响研究

Rare earth ions doped material with near infrared emission has great application prospects in the fields of laser source, biosensors and fluorescence immune analysis. But the low efficiency of rare earth doped material in near infrared emission limits its practical application, owing to the prescence of mutual energy transfer and competitive relationship between near infrared and upconversion luminescence. Photonic crystal can not only modulate the luminesence property of rare earth ions, resulting in electron redistribution in the excited energy levels, but also can control the energy transfer process between rare earth ions. The photonic crystals modulation provides a possible way to solve the problem of weak near infrared emission of rare earth ions. In this project, rare earth doped photonic crystal materials will be prepared.Influence of the electron redistribution in excited state levels caused by modulating upconversion luminescence and excited state absorption on near infrared luminescence property and mechanism will be investigated in the photonic crystals. Effects of upconversion luminescence modulation of rare earth donors on the energy mutual transfer and near infrared luminescence property will be researched in photonic crystals. These studies will be helpful to learn the relationship between upconversion and infrared luminescence in rare earth ions doped materials,and the enhancement of near infrared luminescence property of rare earth ions can be realized under its upconversion emission modulation in the photonic crystals.These rustlts are important technical and theoretical basis for exploring novel near infrared luminescent materials and devices.

稀土离子近红外发光材料在激光源、生物传感器和荧光免疫分析等领域具有巨大的应用前景，但稀土离子的近红外发光由于和上转换发光存在竞争关系及能量互传递等问题，导致其发光效率较低从而限制了其实际应用。光子晶体不仅可以通过调制稀土离子的发光性质引起电子在激发态能级的重新分布，而且还可以调制稀土离子之间的能量传递过程，为解决稀土离子近红外发光弱的问题提供了一种可能的途径。本课题拟制备稀土离子掺杂的光子晶体，研究光子晶体中稀土离子上转换发光性质及中间激发态吸收的调制引起激发态能级电子的重新分布对其近红外发光性质的影响；研究光子晶体调制稀土离子的上转换发光过程对稀土离子间的能量传递过程及其近红外发光性质及机理的影响。本课题的实施将有助于认识稀土离子掺杂材料中上转换与近红外发光之间的关系，达到通过光子带隙调控稀土的上转换发光增强其近红外发光性质的目的,为开发新型的近红外发光材料及器件提供技术和理论基础支撑。

稀土离子掺杂近红外发光材料在激光源、生物传感器和荧光免疫分析等领域具有巨大的应用前景，但稀土离子掺杂材料的近红外发光由于和上转换发光存在竞争关系及能量互传递等问题，导致其发光效率较低从而限制了其实际应用。光子晶体不仅可以调制稀土离子的发光性质，而且还可以调制稀土离子之间的能量传递过程，为解决稀土离子近红外发光弱的问题提供了一种可能的途径。课题采用模板法结合溶胶凝胶法等方法制备了一系列稀土离子掺杂的反蛋白石光子晶体、稀土离子掺杂纳米颗粒/蛋白石光子晶体异质结材料。研究了稀土离子掺杂发光体基光子晶体中光子带隙对稀土离子上转换发光的调制对其近红外发光的影响，结果表明，当光子带隙位置与稀土离子的绿色或者红色的上转换发光波长重叠时，相应的上转换发光受到抑制，由于光子带隙抑制绿色或者红色的上转换发光可以导致绿色或者红色发光能级的电子弛豫到近红外发光能级，引起近红外发光能级的布居数增加，导致其其近红外发光增强。研究了光子带隙调制稀土离子Er3+的上转换发光过程对Er3+到Yb3+的能量传递过程及对Yb3+的近红外发光性质及机理的影响，结果证实通过抑制稀土离子Er3+的上转换发光，可以增强从Er3+到Yb3+的协同能量传递，从而实现Yb3+的近红外发光增强。研究了Er3+和Yb3+共掺杂的反蛋白石头光子晶体中光子带隙调控激发光的激发效率对其近红外发光性质的影响，结果表明，当激发光波长和光子带隙带边重叠时，Er3+和Yb3+共掺杂的反蛋白石光子晶体的近红外发光性质增强，这是由于光子带隙带边效应引起的慢光子效应导致激发效率增强引起的。课题的研究结果厘清了稀土离子掺杂的光子晶体中上转换发光性质与近红外发光之间的内在关联，同时，阐明了光子带隙调控稀土离子的上转换发光增强其近红外发光性质的增强机理，为开发新型的上转换发光及近红外发光材料及器件提供了技术和理论基础支撑。