華南理工周博團隊Nature Photonics：紅外II區響應上轉換發光

【引言】

光子上轉換是一種重要的非線性反斯托克斯發光現象，在激光、顯示、光伏、信息安全以及生物成像與診療等領域具有廣闊應用前景。稀土離子是一類理想的上轉換發光中心，可以實現發射波長精細可調、覆蓋近紅外-可見光-近紫外的上轉換發光。然而，目前上轉換發光研究主要基于傳統的980 nm和短波長近紅外I區波段（例如808 nm）激發調控。近期研究表明，紅外II區在光通訊、納米光子學、生物醫學等領域愈來愈顯示出重要應用。因此，實現更長的紅外波段尤其是紅外II區響應的上轉換發光對于稀土發光基礎研究及前沿應用具有重要研究意義。

【成果簡介】

近日，華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室周博教授&張勤遠教授團隊提出了一種可以有效實現紅外II區響應的上轉換發光機理。通過引入鐿亞晶格選擇性調控敏化劑鉺與發光離子之間的相互作用，成功獲得了Tm³⁺、Ho³⁺、Gd³⁺、Eu³⁺、Tb³⁺等多種離子的上轉換發光。本概念模型可以獲得高達1219 nm反斯托克斯位移紫外上轉換發光（Gd³⁺：311 nm 發射）。他們進一步通過設計敏化-遷移-檢測的核殼結構探討了鐿晶格能量遷移的基本物理規律。研究同時發現引入微量Ce³⁺調控Ce³⁺-Er³⁺之間的交叉弛豫，可有效抑制Er³⁺的可見光發射，成功獲得紅外II區-紅外I區的準單帶發光。利用鐿亞晶格的能量遷移性質也獲得紅綠可調發光，在信息安全存儲與防偽方面展現出巨大應用前景。該研究成果以“NIR II-responsive photon upconversion through energy migration in an ytterbium sublattice”為題發表在Nature Photonics上，同時被遴選為本刊網站的主題宣傳圖（https://www.nature.com/nphoton）。

【圖文導讀】

圖1：基于鐿亞晶格的紅外II區響應上轉換發光原理

a）樣品設計示意圖；

b）Er/Yb光譜重疊與發射；

d）可用于紅外II區響應的上轉換發光躍遷。

圖2：樣品結構設計、表征及光譜結果

a-d）樣品納米結構及形貌與結構表征；

e）上轉換發射光譜。

圖3：鐿亞晶格能量遷移研究

a-b）能量遷移研究；

c-d）Nd-Yb界面能量傳遞與Ho發光；

e）Ho發光強度和Yb壽命隨Yb濃度變化趨勢；

f）Yb吸收/發射光譜重疊。

圖4：交叉弛豫調控發光

a）Er-Ce交叉弛豫調控發光示意圖；

b）光譜結果；

c）準單帶發射與Ce濃度與激發功率密度關系；

d）Er發光變化與Ce濃度的關系；

e）Eu上轉換發光光譜。

圖5：光色調控與應用

a）紅綠光色調控；

b）信息安全應用；

c）二維碼信息識別與讀取。

【結論與展望】

本研究成功構建了可用于紅外II區響應的上轉換發光概念模型，促進了微觀尺度能量遷移和稀土發光物理本質的理解，可望進一步用于稀土發光基礎研究以及開發新型高效上轉換發光材料體系。

論文通訊作者為華南理工大學周博教授和張勤遠教授，該項研究工作得到了國家自然科學基金、廣東省珠江人才計劃等科研項目的資助。

【文獻鏈接】

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

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

【作者簡介】

周博，男，華南理工大學教授、博士生導師，國家級人才計劃入選者。課題組致力于稀土發光領域的應用基礎研究，在上轉換發光物理機制、光譜精細調控、稀土離子相互作用、光子玻璃與光纖器件等方向取得系列創新性成果，迄今以第一作者或通訊作者在 Nat. Photon.、Nat. Nanotech.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等著名期刊發表SCI收錄論文30余篇，在國內外學術會議做主題/邀請報告20余次，主持國家自然科學基金等項目5項。

【招聘信息】

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