光频上转换的材料尺寸效应研究

Optical frequency upconversion is an important physical method. Materials and devices based on the principle will meet many charming applications in laser, solar cell, medical care system, military, aerospace and daily life. However, its high excitation power density and low conversion efficiency have been the key limitations in using the technique. The found of material size effect in optical upconversion provides a possibility to get rid of these limitations. Carrying on the research on the size effect not only can enrich our understanding to the physical mechniam ruled in micro-nano materials, but also may help material engineers to find out new design considerations for the above-mentioned applications. On the basis of our previous researches, this project is planning to study the size effect systematically from basic physical (dynamical) processes to material methods and perform following targets: 1. define the size effect and elucidate its mechanism in theory; 2. elucidate the mechanism of enhanced multi-photon upconversion induced by the size effect; 3.synthesize upconversion materials for the applications of low power excitation, clarify the mechanism of these processes occurred in micro-nano materials under low excitation power density; 4. obtain key material parameters for the applications in biological information detection and solar cells; 5. provide independent intellectual property rights (IIPR) for developing relative functional materials and devices.

光频上转换是一种重要的物理学方法；基于上转换原理的材料和器件在激光、太阳能电池、医疗、军事、航空航天和日常生活中有着十分诱人的应用前景。然而，高的激发光功率和低的转换效率是限制这些应用的关键因素。上转换发光的材料尺寸效应的发现为消除这些限制提供了可能。对这种尺寸效应进行系统的研究不仅可以丰富人们对微纳材料中物理规律的认识，而且可能为上述应用找到新的材料设计依据。本项目拟在项目组前期工作的基础上通过对微纳材料中上转换尺寸效应的深入研究，从基本物理（动力学）过程、材料实现条件两个方面展开系统的探索，并预期实现如下研究目标：1、规范这种尺寸效应，从理论上阐明其机理；2、阐明尺寸效应对高阶多光子上转换过程的增强机制；3、制备出低激发阈值的上转换发光材料，阐明弱光激发下微纳材料中上转换布居的特征；4、得到高效低阈值材料在生物信息探测、太阳能电池等应用中的关键参数；5、获得相关关键技术的自主知识产权。

光频上转换是一种重要的物理学方法；基于上转换原理的材料和器件在激光、太阳能电池、医疗、军事、航空航天和日常生活中有着十分诱人的应用前景。然而，高的激发光功率和低的转换效率是限制这些应用的关键因素。上转换发光的材料尺寸效应的发现为消除这些限制提供了可能。本项目首次报道了纳米材料中短波长上转换发光增强现象，发现了高阶光子上转换过程的“小尺寸效应”，提出并论述了纳米尺度下高阶上转换过程中电子布居的尺寸依赖关系，解决了长期困扰发光学领域的高阶多光子上转换过程中高能级电子布居实现的方法问题。观察到了尺寸依赖的上转换发光；提出并论述了纳米尺度下高阶上转换布居过程的尺寸依赖性，确定纳米材料更加有利于高阶多光子上转换布居过程的发生；发现了纳米材料中稀土离子高阶多光子上转换发光增强的本质因素，解决了长期困扰研究领域的高阶多光子上转换实现的方法问题。我们在国际上首先发现了稀土离子上转换布居过程与材料尺寸的依赖关系；报道了随着尺寸的减小布居通道会发生变化并导致上转换发射显著增强。利用水热法，我们制备了稀土掺杂氟化物纳米晶并发现它们具有非常强的光频上转换能力；在低功率连续红外光激发下，我们首次观察到了纳米材料中Er3+ 离子的高亮度绿色上转换发光。进一步的研究表明，在纳米尺度下稀土上转换发光特性不仅呈现出明显的材料尺寸依赖特征，而且高阶多光子上转换发射变得相对容易，显示出明显的尺寸/形貌依赖性。因此，我们提出了上转换发光的“小尺寸效应”这个新的概念，并论证了这种“小尺寸效应”完全不同于半导体纳米材料的量子尺寸效应。在随后开展的氟化物纳米上转换发光材料的研究中我们证实了最初的想法，在 Yb、Tm共掺杂纳米材料中首次实现了5光子上转换发射并成功地观察到了290 nm的紫外发光，发现了高阶光子过程随着尺寸变化的规律，证实了我们提出的紫外上转换过程中“小尺寸效应”的科学性。项目获得吉林省自然科学奖一等奖一项，获得中国发明专利授权9件，新申请发明专利11件，发表学术论文和学术报告共计66篇；其中，SCI论文47篇，项目负责人秦伟平教授作国内/国际学术会议大会邀请报告8次，出站博士后1名；10人获得博士学位；5人获得硕士学位，项目负责人秦伟平获得吉林省“长白山学者特聘教授”称号。