稀土上转换发光薄膜的逆压电原位应变调控研究

The development of high-efficiency upconversion photoluminescence (PL) materials and new tuning routines to enhance the PL intensity output attracted a great deal of attention. Until now, modification of the PL intensity was generally realized by a chemical method. This method is, however, generally irreversible, and the process is ex-situ, which restricted the understanding of the dynamic upconversion process. Here, we propose an alternative way to realize the in-situ and reversible PL turning, which will be achieved through a converse piezoelectric effect utilizing high-performance piezoelectric single crystal (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3 (PMN-PT). The upconversion emission epitaxial thin film will be deposited directly on the PMN-PT single crystal substrate. Through applying an electric field on the PMN-PT substrate, the epitaxial thin film will be stretched or compressed and the lattice distortion will be induced, leading to the change of the local crystal symmetry around the rare-earth ions. The symmetry change will influence the electric dipole transition probabilities, which gives rise to the change of the PL emission. The emphasis will be focused on the relations among the in-situ strain and the phase structure, microstructure, and upconversion PL properties. The influence of the film thickness, interface coupling, and the host material selections on the strain turning effect will also be investigated. Furthermore, the dynamic upconversion emission process under in-situ reversible strain along with the underlying mechanisms will be clarified to promote device applications.

发展高效的上转换发光材料、探索新的调控手段从而满足其在生物医学、激光等领域的应用吸引了广泛的研究兴趣。传统调控上转换发光主要采用化学手段，限制了对其动态发光过程及机理的认识。本项目提出一种基于高性能压电单晶(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3 (PMN-PT)优越的逆压电效应实现对上转换发光的原位、动态、可逆的调控，通过将上转换发光薄膜直接外延生长在PMN-PT单晶衬底上，利用衬底的逆压电效应产生的应变使其产生原位拉伸或压缩，并传递至外延的发光薄膜中，进而改变稀土离子周围的晶体场和对称性，实现对其上转换发光性能的调控。重点研究原位应变对薄膜的相结构、显微结构、上转换发光性能等的影响规律，探索应变调控上转换发光受薄膜厚度、界面耦合情况以及基质材料体系等的影响规律，揭示原位可逆应变下发光的动态变化过程及应变调控上转换发光的物理机制，为器件应用奠定基础。

发展高效的上转换发光材料、探索新的调控手段从而满足其在生物医学、激光等领域的应用吸引了广泛的研究兴趣。传统调控上转换发光主要采用化学手段，限制了对其动态发光过程及机理的认识。在本项目中，提出利用高性能压电单晶PMN-PT优越的逆压电效应实现对上转换发光的原位、动态、可逆的调控，通过将上转换发光薄膜直接外延生长在PMN-PT单晶衬底上，利用衬底的逆压电效应产生的应变使其产生原位拉伸或压缩，并传递至外延的发光薄膜中，进而改变稀土离子周围的晶体场和对称性，实现对其上转换发光性能的调控。在本项目开展过程中，为获得高的场致应变，通过筛选确立以厚度<110>取向，长度沿<001>方向的位于准同型相界三方相区域的PMN-PT单晶作为衬底，利用脉冲激光沉积方法首先制备外延生长的SRO底电极材料，在此基础上，进一步制备出掺杂Er3+/Yb3+的BaTiO3(BTO)等应变－发光外延薄膜，获得了优异的铁电、介电、压电及上转换发光性能。在此基础上，研究了衬底剩余应变对其发光性能的影响，施加0.5 kV/mm的电场极化衬底前后，薄膜的发光强度增强约10%。进一步给极化后的PMN-PT单晶施加原位电场得到，施加电场为0.1 kV/mm时，发光强度与未加电场时相比增强了8%，随着电场逐渐增强到0.3 kV/mm，增强了12%，当电场达到0.5 kV/mm时，最大增强15%左右，在这些结果基础上，分析揭示了应变—发光调控的一般影响规律的物理机制，并利用不同原位电场下PMN-PT衬底及薄膜的XRD、场致应变进行了验证。发现当电场从0 kV/mm增加到0.5 kV/mm时，PMN-PT峰的位置向左偏移，BTO(Yb/Er)薄膜和SRO薄膜的衍射峰也向左偏移，表明面外(110)方向晶胞参数增大，面内[001]方向晶胞参数减小，与原位应变的测试结果一致。另外，为了进一步证实这一原位、动态的调控过程的可逆性，多次测试了增加和减小电场过程中的发光光谱。发现在增加和减小电场过程中，在相同的偏置电场下，发光光谱重合，表明原位应变这一途径在调控发光强度时是可逆的。本项目的开展可为上转换发光的调控提供了全新的途径，为上转换发光材料在生物医学、激光等领域的应用奠定基础。