单分散高质量稀土发光纳米晶的可控合成与表面界面效应研究

稀土发光纳米材料在高分辨显示、生物标记与探测、透明激光陶瓷、白光LED等领域展示出诱人的应用前景。目前，国际上该材料在制备和实际应用上遇到的关键问题是：表面缺陷多、团聚、粒径分布宽、形貌均一性差，并导致发光亮度不大、稳定性不高。美国CB Murray教授（本项目主要成员）发明的"溶剂液相热分解法"，在胶态稳定纳米晶合成方面具有明显优势。本项目拟以该方法进行稀土发光纳米晶的可控合成研究，获得金属杂质离子(Li+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Al3+等)、表面活性剂、温度与时间等对表面结晶度、粒径、形貌、分散性等性状的调控规律，揭示可控生长和机理；另外辅以纳米包覆和钝化等手段，测量不同性状发光纳米晶的发光性质，研究表面界面效应、小尺寸效应与发光特性之间的内在关系和作用机理，发现新现象，提出新观点和见解，澄清争议和错误认识，为提高纳米发光材料的发光亮度、量子效率、稳定性提供指导和理论依据。

单分散高质量纳米晶的可控合成和表面界面效应研究是纳米科技领域的一个世界性难题，纳米晶的团聚、粒径分布宽、表面缺陷、形貌、稳定性等问题是亟待解决的关键问题，极大地影响了纳米功能材料的性能和应用。本研究以稀土发光纳米晶为例，针对上述问题进行了深入研究。（1）系统研究了稀土氧化物La2O3、CeO2、Gd2O3、Y2O3超薄纳米片的制备及性能，通过矿化剂的添加，提高了样品产率，调控了纳米晶形貌。发现CeO2纳米片储氧能力是普通CeO2纳米晶的3-4倍；纳米片CeO2/Cu的CO催化起燃温度低、催化率高，可与Pt媲美；不同形貌Y2O3:Eu3+纳米片的发光谱形有显著变化，这些均与稀土氧化物纳米片的高比表面积、表面缺陷少、分散性高、掺杂离子格位对称性低有显著关系。（2）研究了表面效应和温度对YAG:Eu3+纳米晶发光特性的影响，发现纳米晶被酸浸蚀处理后，Eu3+光谱产生了新激发带；变温发光研究表明随温度降低676nm发射显著增强而693nm发射显著减弱，原因归于纳米晶的表面态和缺陷。（3）研究了燃烧法制备的纳米晶粉末的性状对透明陶瓷烧结的影响，发现燃烧法所得纳米晶团聚显著，粒径小且存在大量超小颗粒组成的颗粒间物质，在烧结透明陶瓷时可以流动，易于排除气孔，而且烧结性高，易于生长为陶瓷大颗粒。（4）研究了Er3+/Yb3+掺杂Y2Ti2O7纳米晶的退火温度以及Li+离子掺杂对上转换发光的影响。发现退火温度和Li+离子的掺杂可以大大提高发光强度，氧空位、电荷补偿、表面缺陷、格位对称性降低等是主要原因。（5）研究了表面和界面对Y2O3:Tm,Ho纳米晶上转换发光特性的影响，发现表面和界面限制了纳米晶间能量传递，导致TmHo能量传递过程只发生在同一晶粒内部，能量损失少，传递效率高。（6）研究了CeO2纳米晶在三价稀土离子掺杂后掺杂离子的格位变化情况以及纳米晶界面等对上转换发光中激发态吸收机制的影响。发现三价离子的掺杂在CeO2纳米晶内部并非完全取代掺杂，导致掺杂离子在纳米晶内部分布不均，格位对称性复杂，对掺杂离子的发光影响显著。本研究获得了稀土氧化物纳米片的新制备技术和生长规律，发现了优异的性能和光谱新特性，还揭示了表面界面效应等和物化性能之间的关系和作用机理，为稀土纳米功能材料的性能研究和实际应用提供了理论基础，具有重要科学意义。