華南理工周博教授團隊AM：交叉弛豫介導的上轉換光色時空調控

【導讀】

稀土摻雜上轉換納米粒子是一種重要的光功能材料，在超分辨成像、光遺傳、納米溫度傳感、信息安全以及三維顯示等領域具有具有重要應用。近期研究表明，交叉弛豫為發光動力學研究提供了新的可能，如光子雪崩上轉換。然而，如何實現交叉弛豫介導的上轉換光色調控并揭示其中的光物理機制是本領域的一個挑戰性課題。

【成果掠影】

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報道了一種基于交叉弛豫介導的上轉換光色調控策略。設計了NaYF₄:Gd@NaYbF₄:Tm@NaYF₄三明治納米核殼結構，通過調制Tm³⁺離子的交叉弛豫過程實現了時空調控的光色可切換發光。調節Tm³⁺離子摻雜濃度可改變離子間據進而調控交叉弛豫，在980 nm穩態激發時得到Tm³⁺的藍色到紅色的發光顏色轉變。研究同時發現，交叉弛豫與自發輻射存在競爭，而交叉弛豫在時域上比自發輻射稍慢，采用脈沖激光非穩態激發實現了紅-藍發光顏色切換。本文深入探討了高摻雜納米系統中離子相互作用的時域特征和物理機制，特別是定義了“特征猝滅時間”用于定量描述交叉弛豫的時域特征。時空調控光色輸出在信息安全、多模式防偽和納米光子學等領域展現出重大應用潛力。該研究成果以“Cross Relaxation Enables Spatiotemporal Color-Switchable?Upconversion in a Single Sandwich Nanoparticle for?Information Security”為題發表在Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1：交叉弛豫介導的上轉換發光調控示意圖

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a）交叉弛豫(W_CR)和自發輻射(A_r)的競爭；

b）離子之間共振和非共振交叉弛豫；

c）交叉弛豫速率(W_CR)與能量失配的關系(?E)；

d）NaYF₄:Gd@NaYbF₄:Tm@NaYF₄三明治納米結構及激發模式調控實現可調發光。

圖2：樣品表征和發光性能

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a）樣品表征；

b）不同Tm³⁺濃度摻雜樣品的發光光譜；

c,d）發光強度和壽命變化；

e）Tm³⁺離子之間的部分交叉弛豫過程。

圖3：穩態激發的光色調控

a,b）不同Tm³⁺濃度摻雜樣品980 nm穩態激發的歸一化發射光譜及紅-藍比；

c）不同摻雜濃度樣品發光對應的CIE坐標值和發光照片；

d）不同Yb³⁺濃度摻雜樣品的紅-藍比；

e）不同摻雜濃度時的發光和交叉弛豫示意圖。

圖4：非穩態激發的光色調控

a,b）不同脈寬980 nm激光激發的歸一化發射光譜、對應的CIE坐標以及發光照片；

c）不同發射峰的暫態曲線；

d）不同Tm³⁺摻雜濃度樣品450 nm的暫態曲線；

e）不同激發脈寬時450 nm的暫態曲線；

f）不同Tm³⁺摻雜濃度樣品695 nm的暫態曲線；

g）不同發光層厚度樣品在穩態激發時的紅-藍比和在非穩態激發時的藍-紅比；

h）脈沖調控的可能動力學過程

圖5：前沿應用

a) 穩態防偽演示；

b) 脈沖激發的多模式防偽；

c) 時域信息存儲。

【成果啟示】

本研究通過構建三明治納米核殼結構和激發模式調控交叉弛豫介導的上轉換發光，實現了紅-藍可切換的發光。特別是通過系統研發光的時域特性，得到可定量描述交叉弛豫的“特征衰減時間”，加深了上轉換發光的物理機制和動力學特征的理解，對于研發新型智能發光材料和推動相關應用具有重要借鑒意義。

論文的通訊作者為華南理工大學周博教授，第一作者為博士后黃今殊。該項研究工作得到了國家自然科學基金、博士后科學基金和中央高校科研項目等資助。

文獻鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202310524

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【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應用基礎研究，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、智能發光材料設計與光子器件等方面取得系列創新性成果，迄今以第一作者/通訊作者在?Nat.?Photon.、Nat.?Nanotech.、Nat. Commun.、Adv.?Mater.、Angew.?Chem.?Int.?Ed.、Nano Lett.、Chem. Soc. Rev.等著名期刊發表SCI收錄論文80余篇，在國內外學術會議做主題/邀請報告30余次，主持國家自然科學基金等多項。

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