华南理周博教授团队Nano Lett封面文章：选择性调控界面能量过程实现多色上转换发光

01【导读】

稀土上转换材料具有丰富的发光颜色，在三维显示、纳米光子学、超分辨成像等诸多领域具有广泛的应用前景。研究表明，能量传递过程调控是实现上转换多色发光的重要手段。与常用低掺杂稀土材料相比，近期研究发现重掺杂特别是部分稀土基质（如NaErF₄）中也存在有效的上转换过程，为解决浓度猝灭问题提供了一个新思路。然而，由于掺杂浓度高、多离子同时激活、多激发波长响应等问题，导致离子之间的作用过程变得十分复杂。研究重掺稀土离子之间特别是不同稀土晶格之间复杂的能量过程和发光动力学具有重要意义。

02【成果掠影】

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团队提出了一种探究铒与镱亚晶格之间相互作用的纳米结构概念模型，并实现了发光颜色的可切换调节。本模型选用NaErF₄作为核，NaYbF₄作为敏化层，采用纳米级光学惰性层NaYF₄精细调控它们之间的空间距离。由于Er³⁺与Yb³⁺对980nm激发均有响应，二者在界面区域会发生复杂的能量交互过程。研究发现，界面上的交叉弛豫是抑制Er³⁺绿光发射的关键因素，通过精细调节光学惰性层NaYF₄的厚度可有效调控界面上的能量传递与交叉弛豫，实现了980 nm激发的发光颜色从红色转变到绿色；而在808 nm（或1530 nm）激发时依然呈现红色发射，从而实现光色切换输出。此外，发光动力学研究表明，使用短脉冲980 nm激光激发可大幅提升绿色纯度。本研究不仅提供了研究激活剂和敏化剂亚晶格之间复杂能量传递过程的新策略，而且有助于设计智能上转换发光材料，在信息安全与防伪等领域具有重大应用前景。该研究成果以“Selectively Manipulating Interactions between Lanthanide Sublattices in Nanostructure toward Orthogonal Upconversion”为题发表在Nano Letters上（封面文章）。

03【数据概览】

图1：选择性调控发光模型

(a) 传统低掺杂体系敏化剂-激活剂之间能量传递示意图；

(b) 高掺杂体系敏化剂-激活剂之间可能的能量相互作用示意图；

(c) 基于多层核壳纳米结构MLCS选择性调控稀土亚晶格之间的能量过程。

图2：样品表征和选择性光色调控

(a) 不同隔离层厚度MLCS粒子的TEM图；

(b-d) MLCS纳米粒子的高分辨TEM图、选区电子衍射图以及傅里叶衍射变换图；

(e-j) MLCS纳米粒子的元素成像图；

(k-m) 980 nm激发下的不同厚度MLCS纳米粒子、不同激发波长的发射光谱图、对应的CIE坐标图以及实物发光图片。

图3：稀土亚晶格之间能量传递机理研究

(a) 对照样品发射光谱；

(b,c) 915与808 nm激发下MLCS纳米粒子近红外发射谱；

(d) 915 nm激发下的MLCS上转换发射谱；

(e-g) MLCS纳米粒子中铒镱亚晶格之间的界面能量相互作用示意图；

(h) 不同脉宽980 nm激发下MLCS纳米粒子上转换发射谱；

(i) 980 nm脉冲光激发下MLCS纳米粒子发射随时间变化图。

图4：光色调控应用

(a) 用于信息加密和伪造的正交上转换的演示；

(b) 利用(a)中的原理在915 nm激发下对“UCNP”组合的大写字母进行加解密的结果；

(c) 利用915和1530 nm的激发来区分花朵图案上的隐藏信息（上）以及增加激发功率图案颜色变化（下）。

04【成果启示】

本研究通过多层核壳纳米结构研究了铒镱亚晶格之间能量传递过程以及利用选择性操控实现发光颜色的调节，该进展不仅为进一步设计智能上转换发光材料提供可行方案，在信息安全与防伪等领域具有重要应用前景。

文献连接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c00747.

05【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，近年来在上转换发光物理机制、多光子过程调控、微观尺度离子相互作用、光子器件等方向取得系列创新性成果，以第一或通讯作者在 Nat. Photon.、Nat. Nanotech.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.、Chem. Soc. Rev.等著名期刊发表SCI收录论文60余篇，在国内外学术会议做主题/邀请报告30余次，主持国家自然科学基金等多项。

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