華南理工周博教授團隊Nano Lett：超靈敏熱增強上轉換發光新策略

鋼鐵俠 1年前 (2022-07-23) 1541瀏覽

【引言】

上轉換發光在激光、顯示、光存儲、信息安全、生物成像和診療等領域有重要應用前景。特別是，與傳統發光材料的熱猝滅不同，近期研究表明稀土摻雜納米粒子存在上轉換發光熱增強現象，該性質進一步促進了上轉換發光在生物技術和納米光子學等前沿領域的應用。然而，溫度場中的稀土上轉換發光性質特別是熱增強發光機理仍不明晰。此外，現有稀土熒光溫度探針主要基于熱耦合能級的發光（例如，Er3+的2H11/2和4S3/2能級），其靈敏度受到玻爾茲曼熱力學理論的限制。如何在稀土發光材料中實現超靈敏熱增強上轉換發光及溫度探測仍然是一項挑戰性課題。

【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團隊提出了一種基于能量遷移介導的超靈敏熱增強上轉換發光的新策略。通過選取具有能量遷移性質的四方相LiErF4作為上轉換發光介質構建核殼結構，借助能量遷移介導的表面相互作用賦予Er3+的中間態能級4I11/2熱敏性質，在1530 nm激發下隨著溫度升高上轉換發光得到大幅增強，并表現出顯著的熱致變色特征（綠光轉變為紅光）。采用上述非熱耦合的紅光和綠光的發光強度比，溫度探針相對靈敏度可達5.27%K?1，比傳統熱耦合綠光能級（2H11/2/4S3/2）體系高出三倍。進一步研究發現，可控的表面相互作用是調制稀土摻雜納米材料上轉換熱增強發光的一種普遍方法。本研究為新型智能發光材料研發提供了新思路，在非接觸納米探針、信息安全和防偽等領域展現出重大應用潛力。該研究成果以“Activating Ultrahigh Thermoresponsive Upconversion in an Erbium Sublattice for Nanothermometry and Information Security”為題發表在Nano Letters上。

【圖文導讀】

圖1：超靈敏熱增強上轉換發光模型

（a）傳統納米粒子中的稀土離子與表面配體的相互作用示意圖；

（b）能量遷移基質中的稀土離子與表面配體的相互作用示意圖；

（c）基于能量遷移介導的超靈敏熱增強上轉換發光模型。

圖2：樣品表征和熱增強上轉換發光

（a）LiErF4@LiYF4納米粒子的TEM圖（左）、高分辨率TEM圖像（右上）和相應的傅立葉變換衍射圖案（右下）；

（b,c）LiErF4@LiYF4納米粒子的元素成像及XRD圖譜；

（d,e）1530 nm激發下的不同溫度上轉換發射光譜及歸一化發光強度與溫度的變化關系；

（f）LiErF4@LiYF4和LiErF4:Tm(0.5 mol%)@LiYF4的紅光增強因子對比。

圖3：熱增強上轉換發光機理研究

（a）LiErF4@LiYF4在不同溫度（RT-573K）的原位傅里葉變換紅外光譜；

（b）Er3+（4I11/2）和-OH之間的非輻射相互作用示意圖；

（c）不同溫度下的Er3+紅光壽命；

（d,e）不同殼層厚度和晶核尺寸的樣品的上轉換紅光增強因子溫度依賴關系；

（f）一系列稀土摻雜納米粒子上轉換增強因子的溫度依賴關系；

（g,h）LiErF4@LiYF4的原位變溫XRD圖案、晶胞體積與相對變化的溫度依賴關系。

圖4：熱增強上轉換發光潛在應用

（a）Er3+不同溫度下Er3+的上轉換紅光/綠光強度比和相對靈敏度；

（b）室溫（RT）和473 K之間Er3+的上轉換發射強度熱循環測量；

（c）不同溫度下樣品發光顏色的色度圖；

（d-f）高溫解碼圖案信息、二進制矩陣信息以及非熱猝滅紅色二維碼顯示。

【結論與展望】

本研究通過調制能量遷移介導的表面相互作用實現了超高靈敏的熱增強上轉換發光以及熱致變色，獲得了高達5.27%K-1的相對靈敏度。該進展不僅為高靈敏度熒光溫度探針設計提供了新思路，在其他相關前沿應用領域也具有重要借鑒意義。

論文的通訊作者為華南理工大學周博教授和張勤遠教授，第一作者為博士后閻龍。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
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c01931。
【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，迄今以第一或通訊作者在 Nat. Photon.、Nat. Nanotech.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Soc. Rev.等著名期刊發表SCI收錄論文50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

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