華南理工周博教授團隊Chem Soc Rev：新興的多層核殼納米結構上轉換發光調控：從基礎到前沿應用

鋼鐵俠 2年前 (2022-02-22) 3322瀏覽

【引言】

稀土摻雜上轉換發光材料具有優異的光子上轉換性能和良好的物理化學性質，近年來在光學基礎研究和各種前沿應用中引起了極大的關注。特別是上轉換納米粒子（UCNPs）的成功制備推動了光子上轉換在發光機制、光譜調控和前沿應用的迅速發展，取得了一系列具有重要意義的研究成果。與傳統的納米粒子相比，多層核殼（Multi-layer core-shell, MLCS）納米結構UCNPs是近期開發的一類新型納米材料，在粒徑、形貌、尺寸、成分、納米結構和表面性質具有更好的靈活性和多功能性，提供了一個理想的可以靈活調控光子上轉換性質的納米平臺，例如在單顆粒水平上調整發光顏色、熒光壽命、可切換多色正交發光以及多功能集成。此外，MLCS納米結構也有助于實現納米尺度上對鑭系離子間相互作用和發光動力學的精確控制，為深入理解能量傳遞過程和稀土光譜學創造了條件。因此，闡明MLCS材料體系的設計原則，突出MLCS納米結構在能量輸運、微觀尺度相互作用、光色/壽命調控和多功能應用集成中的重要性，對于進一步推動上轉換發光領域的發展具有重要的科學意義。

【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，以“Controlling upconversion in emerging multilayer core-shell nanostructures: from fundamentals to frontier applications”為題，在Chemical Society Reviews (IF: 54.564) 發表專題綜述論文。系統總結和討論了基于MLCS納米結構調控上轉換發光的系列研究進展，包括發光顏色和熒光壽命的精確調控、多色可切換的正交上轉換發光、納米尺度深度理解鑭系離子間相互作用，以及在三維顯示、上轉換激光、光學存儲、安全防偽、溫度傳感、生物成像、生物治療、光遺傳學等領域的應用，并對研究前景和挑戰進行了展望。

【圖文導讀】

圖1 鑭系摻雜MLCS納米結構設計的光譜調控和新興前沿應用。

圖2 具有不同光譜調控效果的MLCS納米結構的設計方案。

圖3 MLCS納米結構的常見合成方法。

圖4 運用MLCS納米結構增強Yb3+敏化體系的上轉換發光。

圖5 運用MLCS納米結構增強Nd3+敏化體系的上轉換發光。

圖6 運用MLCS納米結構調控Er3+敏化體系的上轉換發光。

圖7 運用MLCS納米結構精確調控上轉換發光顏色。

圖8 運用MLCS納米結構精確調控上轉換熒光壽命。

圖9 實現多色可切換正交上轉換發光的常用MLCS納米結構設計方案。

圖10 運用MLCS納米結構實現藍-綠、紅-綠、紅-藍雙色正交上轉換發光。

圖11 通過非常規調控手段在簡單的MLCS納米結構中實現雙色正交上轉換發光。

圖12 運用MLCS納米結構實現紅-綠-藍（RGB）全色正交上轉換發光。

圖13 在常規核殼結構和MLCS納米結構中的鑭系離子間相互作用示意圖。

圖14 運用MLCS納米結構深度理解納米尺度能量傳遞過程。

圖15 運用MLCS納米結構深度理解納米尺度能量遷移過程。

圖16 運用MLCS納米結構深度理解核殼界面處Gd3+調控的離子間相互作用。

圖17 MLCS UCNPs的三維全色立體顯示應用。

圖18 MLCS UCNPs的上轉換固態激光器應用。

圖19 MLCS UCNPs的光學存儲應用。

圖20 MLCS UCNPs的信息安全與防偽應用。

圖21 MLCS UCNPs的納米溫度傳感應用。

圖22 MLCS UCNPs的生物成像應用。

圖23 MLCS UCNPs的生物治療應用。

圖24 MLCS UCNPs的分子傳感、生物檢測、光遺傳學應用。

【結論與展望】

該綜述從納米結構設計與合成、光學性能調控和相關新興應用等方面系統總結和探討了基于鑭系摻雜MLCS納米結構的最新研究進展，并對未來的發展方向作了展望，包括開發更為簡便有效的合成方法、探索提升量子產率的途徑、開發多功能的納米平臺等，以期進一步推動上轉換和稀土發光應用基礎研究。

論文的通訊作者為華南理工大學周博教授和張勤遠教授，第一作者為博士畢業生劉松彬（現為江西理工大學稀土學院講師、內聘副教授）。該項研究工作得到了國家自然科學基金等科研項目的資助。

【文獻鏈接】

  1. B. Liu, L. Yan, J. S. Huang, Q. Y. Zhang*, and B. Zhou*, Chem. Soc. Rev., 2022.

https://doi.org/10.1039/D1CS00753J

【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，近年來在上轉換發光物理機制、多光子過程調控、微觀尺度相互作用、光色智能材料設計、光子玻璃與光纖器件等方向取得系列創新性成果，迄今以第一或通訊作者在 Nat. Photon.、Nat. Nanotech.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等著名期刊發表SCI收錄論文40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多項。

【招聘信息】

課題組2022年在稀土發光相關方向誠聘博士后，在上轉換發光、納米材料合成、生物/光電應用、激光等方向有經驗者優先考慮，同時歡迎有志青年報考博士/碩士研究生。詳情請聯系周老師，zhoubo@scut.edu.cn。

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