可见光LED激发UVC紫外上转换发光材料的制备及研究

In this project, we present a new approach for the first time to achieve intense UV upconversion emission excited by a visible light LED, which has potential application in sewage disposal, mould inhibition of grain and other foodstuffs.However,high efficiency of UVC upconversion is the precondition of the practical applications for these materials. Our target is to obtain the UVC upconversion material with high efficiency.We will start with three aspects of luminescence centers, host materials and sensitizers. The luminescence centers are restricted to rare earth ions according to the mechanism of upconversion emission and the requirement of the metastable levels. The host materials are restricted to zinc acid salt,fluoride, indium acid acid and sulfide with their lower phonon energy. Three schemes are adopted to obtain suitable sensitizers by rare earth ions with higher absorption cross section in visible light, transition element as well as metal atoms by the surface plasmon. The suitable luminescence centers,host material and sensitizers is obtain by selection process and the germicidal efficacy of the UVC upconversion material is verified by the experiment.

本项目首次提出了采用可见光LED作为激发源，激发上转换发光材料产生UVC紫外上转换光发射方法。它在污水处理、粮食和食物的防霉等方面有着潜在的应用价值。由于在LED 激发下UVC紫外上转换光发射效率还很低，获得具有高效的UVC上转换的发光材料是该材料得以实际应用的前提。 本项目把获得在可见光LED激发下产生高效UVC上转换材料作为目标。拟从发光中心、基质、敏化剂三个方面入手。根据上转换机理和对亚稳态能级寿命要求，把发光中心范围限定为稀土离子；基质材料限定在鋅酸盐、氟化物、铟酸盐和硫化物这些具有较低声子能量的基质材料；敏化剂采取三种方案，分别为，1）采用在可见光波段有较大吸收截面的稀土离子，2）采用过渡族元素，3）采用在可见光有等离子吸收的金属元素。通过筛选获得理想的可见光LED激发在UVC有较高发射效率的基质发光中心和敏化剂，并通过细菌实验验证杀菌效果

粗放型的经济建设除了带来经济的迅速发展的同时也带来的严重的负面影响，那就是环境污染。紫外线UVC（200-280nm）能够破坏微生物机体细胞中的DNA或RNA的分子结构，造成生长性细胞死亡和再生性细胞死亡，这种杀菌效果好，无污染已经被广泛采用。然而实现UVC 光源光源目前仅有低压汞灯，尽管LED也可以实现紫外发射但很难实现这个波段。我们国家已经加入了旨在限制汞排放的《水俣域公约》，获得可以替代低压汞灯杀菌的UVC光源是当务之急。.可见光激发产生UVC发射的上转换荧光体是解决这一问题的有效途径。稀土离子Pr3+ 在可见光440-650nm有吸收，在UVC波段有发射，这个发射来自4f5d能级因为属于允许跃迁，辐射跃迁较大。本项目把Pr3+作为发光中心，通过改变基质材料来获得较高效率的上转换发射。由于上转换效率较低，考虑到光谱仪器和光源的限制，我们很难直接通过光谱仪测到可见光的UVC的上转换发射光谱。这里我们采用了太阳光作为激发源，因为太阳光中没有UVC光，因此通过太阳光激发如果探测到UVC发射我们就可以确定它来自我们的荧光材料，另外考虑到实际的太阳光激发密度较低，上转换效率发射会很弱，这里我们通过对太阳光聚光后激发样品。事实上即使采用汇聚的太阳光上转换发射依然很弱，很难通过光谱仪测到。我们这里采用日盲相机作为探测器，代替光谱仪，主要的改进是，因为光谱仪采用光栅分光，会降低发射光的强度带来倍频干扰等，而日盲相机采用了240-280nm的带通片和高效的紫外探测器可以测到较弱的紫外光。通过太阳光激发样品和日盲相机探测，使我们能够测到样品在紫外上转换发射，从而总结出Pr3+产生UVC上转换发射的条件为，4f5d能级要在1S0能级和导带之下。依据上述原理，通过调整晶体场参数使我们能够获得高效的UVC上转换发光材料，发射功率达到20mW/m2（1W蓝光LED激发下