华南理工周博团队Nature Photonics：红外II区响应上转换发光

【引言】

光子上转换是一种重要的非线性反斯托克斯发光现象，在激光、显示、光伏、信息安全以及生物成像与诊疗等领域具有广阔应用前景。稀土离子是一类理想的上转换发光中心，可以实现发射波长精细可调、覆盖近红外-可见光-近紫外的上转换发光。然而，目前上转换发光研究主要基于传统的980 nm和短波长近红外I区波段（例如808 nm）激发调控。近期研究表明，红外II区在光通讯、纳米光子学、生物医学等领域愈来愈显示出重要应用。因此，实现更长的红外波段尤其是红外II区响应的上转换发光对于稀土发光基础研究及前沿应用具有重要研究意义。

【成果简介】

近日，华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室周博教授&张勤远教授团队提出了一种可以有效实现红外II区响应的上转换发光机理。通过引入镱亚晶格选择性调控敏化剂铒与发光离子之间的相互作用，成功获得了Tm³⁺、Ho³⁺、Gd³⁺、Eu³⁺、Tb³⁺等多种离子的上转换发光。本概念模型可以获得高达1219 nm反斯托克斯位移紫外上转换发光（Gd³⁺：311 nm 发射）。他们进一步通过设计敏化-迁移-检测的核壳结构探讨了镱晶格能量迁移的基本物理规律。研究同时发现引入微量Ce³⁺调控Ce³⁺-Er³⁺之间的交叉弛豫，可有效抑制Er³⁺的可见光发射，成功获得红外II区-红外I区的准单带发光。利用镱亚晶格的能量迁移性质也获得红绿可调发光，在信息安全存储与防伪方面展现出巨大应用前景。该研究成果以“NIR II-responsive photon upconversion through energy migration in an ytterbium sublattice”为题发表在Nature Photonics上，同时被遴选为本刊网站的主题宣传图（https://www.nature.com/nphoton）。

【图文导读】

图1：基于镱亚晶格的红外II区响应上转换发光原理

a）样品设计示意图；

b）Er/Yb光谱重叠与发射；

d）可用于红外II区响应的上转换发光跃迁。

图2：样品结构设计、表征及光谱结果

a-d）样品纳米结构及形貌与结构表征；

e）上转换发射光谱。

图3：镱亚晶格能量迁移研究

a-b）能量迁移研究；

c-d）Nd-Yb界面能量传递与Ho发光；

e）Ho发光强度和Yb寿命随Yb浓度变化趋势；

f）Yb吸收/发射光谱重叠。

图4：交叉弛豫调控发光

a）Er-Ce交叉弛豫调控发光示意图；

b）光谱结果；

c）准单带发射与Ce浓度与激发功率密度关系；

d）Er发光变化与Ce浓度的关系；

e）Eu上转换发光光谱。

图5：光色调控与应用

a）红绿光色调控；

b）信息安全应用；

c）二维码信息识别与读取。

【结论与展望】

本研究成功构建了可用于红外II区响应的上转换发光概念模型，促进了微观尺度能量迁移和稀土发光物理本质的理解，可望进一步用于稀土发光基础研究以及开发新型高效上转换发光材料体系。

论文通讯作者为华南理工大学周博教授和张勤远教授，该项研究工作得到了国家自然科学基金、广东省珠江人才计划等科研项目的资助。

【文献链接】

Zhou, et al.,Nature Photonics,14, 760-766 (2020)

https://www.nature.com/articles/s41566-020-00714-6

【作者简介】

周博，男，华南理工大学教授、博士生导师，国家级人才计划入选者。课题组致力于稀土发光领域的应用基础研究，在上转换发光物理机制、光谱精细调控、稀土离子相互作用、光子玻璃与光纤器件等方向取得系列创新性成果，迄今以第一作者或通讯作者在 Nat. Photon.、Nat. Nanotech.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等著名期刊发表SCI收录论文30余篇，在国内外学术会议做主题/邀请报告20余次，主持国家自然科学基金等项目5项。

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