ACS Nano : 表面缺陷的直接識別及其對上轉換納米粒子光學特性的影響

【引言】

由于具有核殼結構的上轉換納米粒子（UCNPs）可以顯著增強光致發光效率，所以其在光學成像引導生物成像、治療學、防偽和太陽能電池方面有很好的應用前景。一般都是外殼涂層消除了淬滅點，并從周圍的去活化劑（配體、溶劑）中分離出核，從而有效抑制表面相關的去活化。研究證明，摻雜離子的表面捕獲可以抑制激發能量的淬滅，可以通過核殼結構來抑制。

【成果簡介】

近日，中國昆明理工大學的邱建備教授和香港理工大學的 Yu Siu Fung教授（共同通訊作者）采用了濕化學退火工藝，從表面缺陷（即無序、空位和間隙缺陷）中恢復鑭系摻雜的KLu2F7裸露核心的UCNPs。制備出的UCNPs只有幾個原子層的均勻厚度，利用像差校正的高角環形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF - STEM）在原子尺度上識別表面缺陷。通過熱退火方法恢復UCNPs表面缺陷，提高了一個數量級以上的相應的上轉換光致發光強度, 使其有很好的潛在應用前景。研究成果以題為?“Direct ?Identification ?of ?Surface ?Defects ?and their ?Influence ?on ?the ?Optical Characteristics of ?Upconversion ?Nanoparticles”?發布在國際著名期刊?ACS Nano?上。

【圖文導讀】

圖一、UCNPs的制備及TEM表征?

（a）KLu₂F₇: 38%Yb³⁺, 2%Er³⁺ UCNPs的濕化學退火工藝原理圖；

（b）合成UCNPs的TEM圖；

（c）240?^oC熱退火合成UCNPs；

（d）（b）中的HRTEM圖；

（e）FFT輪廓；

（f）隨著增長的UCNPs尺寸分布圖；

（g）（c）中的HRTEM圖；

（h）FFT輪廓；

（i）后增長的退火UCNPs尺寸分布圖。

圖二、UCNPs的SEM表征?

（a）KLu₂F₇: 38%Yb³⁺, 2%Er³⁺ UCNPs的HAADF-STEM圖；

（b）240?^oC熱退火處理后KLu₂F₇: 38%Yb³⁺, 2%Er³⁺ UCNPs的HAADF-STEM圖；

（c）（a）中的沿橙色向掃描記錄的強度剖面；

（d）（b）中的沿綠色向掃描記錄的強度剖面；

（e）（a）中的放大的晶體邊緣結構圖像；

（f）（b）中的放大的晶體邊緣結構圖像。

圖三、UCNPs的轉換衰減和能量傳輸機理?

（a） KLu₂F₇: 38%Yb³⁺, 2%Er³⁺ UCNPs的上轉換光致發光光譜；

（b） UCNPs中⁴S_^3/2? -?⁴I_15/2在543 nm轉換衰減曲線圖；

（c）UCNPs中⁴F_9/2?-?⁴I_15/2在668 nm轉換衰減曲線圖;

（d）UCNPs中²F_5/2?-?²F_7/2在980 nm轉換衰減曲線圖；

（e）980 nm連續波長（CW）激光激發下UCNPs的簡化能量傳輸圖。

圖四、UCNPs的能量傳遞和發射光譜?

（a） KLu₂F₇: 38%Yb³⁺, 2%Er³⁺ UCNPs在980 nm短脈沖和長脈沖激發下的能量傳遞過程；

（b） 熱退火前， KLu₂F₇: 38%Yb³⁺, 2%Er³⁺ UCNPs的上轉換發射光譜；

（c） 熱退火后， KLu₂F₇: 38%Yb³⁺, 2%Er³⁺ UCNPs的上轉換發射光譜。

圖五、UCNPs的微腔激光變化

?（a） KLu₂F₇: 38%Yb³⁺, 2%Er³⁺ UCNPs在室溫下獲得980 nm激光激發下的微腔激光光譜；

（b） 輸出功率和發射線寬與激發功率圖；

（c） P_th 、?λ 和1/ D基于微腔激光的綠色發射測量值。

【小結】

研究采用了HAADF-STEM直接觀察了薄的均勻厚度的KLu₂F₇: 38%Yb³⁺, 2%Er³⁺ UCNPs的聚集結構。利用濕化學反應方法和結構中鑭離子的排列，在Lu³⁺的結晶位點上找到的活化劑在沒有帶來不需要的缺陷情況下得到了明顯的證明。制備的KLu₂F₇: 38%Yb³⁺, 2%Er³⁺ UCNPs在980 nm連續波激光激發下，提高了一個數量級以上的上轉換光致發光強度的變化。表面熱退火工藝，在制備UCNPs時，克服其表面缺陷是一種可行的方法。

文獻鏈接：Direct Identification of Surface Defects and their Influence on the Optical Characteristics of Upconversion Nanoparticles（ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b00741）

本文由材料人生物材料組小胖紙編譯，點我加入材料人編輯部。

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