華南理工周博教授團隊NC：界面能量傳遞時空調控上轉換發光

【導讀】

光子上轉換動態調控為稀土摻雜上轉換發光材料的光色輸出提供了一種新的解決方案，在稀土發光材料應用基礎研究方面具有重要意義。然而，目前具備動態調控上轉換發光顏色的材料體系通常通過交叉弛豫等過程實現，由于上述光色轉變過程中伴隨著稀土離子的發光猝滅過程，會無可避免地抑制發光強度及量子效率。另一方面，雖然多層核殼結構納米粒子也能實現光色動態調節，但是其復雜的結構設計、激發模式設計以及不同發光中心之間復雜的能量過程等問題增加了材料制備以及實際應用的難度。因此，如何實現單發光中心的高效上轉換發光顏色動態調控是本領域面臨的一項挑戰。

【成果掠影】

針對上述科學問題，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界面能量傳遞（IET）的概念模型，在時間和空間維度上實現了上轉換發光動力學過程調控與光色動態調節。通過在NaErF₄:Ho(0.5?mol%)@NaYbF₄@NaYF₄納米結構中設計Yb亞晶格敏化層，可有效提高對激發能量的吸收和利用，進而增強上轉換發光。進一步研究表明，在納米尺度上精確調節Er和Yb亞晶格界面處的相互作用，可精確調節Er³⁺→Yb³⁺反向能量傳遞，進一步提升發光強度和量子效率。與NaErF₄@NaYF₄納米粒子對照樣相比，調控后的樣品發光強度、量子效率均大幅提升。此外，研究也發現微量摻雜Ho³⁺對調節Er³⁺紅光動力學過程具有促進作用，Er和Yb亞晶格的界面能量傳遞可改變Er³⁺發光能級布居速率。因此通過提高激發功率密度或減小激發脈寬，實現了發光顏色的動態轉變（紅→綠）；而且，由于Er³⁺紅光能級壽命較長，短脈寬激發下樣品發光顏色也隨時間發生變化（綠→紅）。上述多模式響應的發光性質在光學信息防偽識別、速度探測等方面展現了重大應用潛力。本項研究為稀土上轉換發光材料的多功能設計和光色動態調控提供了新的思路。上述工作以“Spatiotemporal control of photochromic upconversion through interfacial energy transfer”為題發表在著名期刊Nat. Commun.上。

【圖文導讀】

圖1. 基于界面能量傳遞的發光模型設計：

a,b）常規低濃度摻雜與發光基質；

c）基于界面能量傳遞（IET）的核殼結構設計；

d）NaErF₄:Ho(0.5?mol%)@NaYbF₄@NaYF₄核-殼-殼納米粒子及能量過程示意圖。

圖2. 樣品形貌及光譜表征：

a,b）樣品的TEM圖及元素分布；

c,d）變Yb濃度樣品的上轉換光譜及不同波長激發的發射強度變化；

e）功率-強度雙對數曲線斜率；

f）不同敏化層厚度樣品的上轉換光譜。

圖3. 納米空間調控上轉換發光：

a）不同Yb³⁺摻雜濃度樣品的上轉換發光及吸收變化；

b）吸收光譜；

c,d）不同NaYF₄夾層厚度樣品的上轉換光譜及強度比較；

e）與常規納米粒子的對比；

f）能量傳遞速率與離子距離的關系。

圖4. 時域調控上轉換發光：

a,b）不同脈寬激發下的綠-紅比變化關系與色度坐標（插圖為樣品的發光照片）；

c）不同脈寬激發下的歸一化光譜；

d）Er³⁺發光強度隨激發時間的變化：

e）非穩態激發上轉換發光顏色變化的機理示意圖；

f）時間分辨光譜及紅綠比變化趨勢。

圖5. 前沿應用：

a）發光顏色多模調制；

b）高泵浦功率或短脈沖激發解碼圖案信息；

c）多維光信號的快速識別。

d,e）速度監測示意圖及結果；

f-h）光譜結果分析及靈敏度變化。

【文章鏈接】

Long Yan, Jinshu Huang, Zhengce An, Qinyuan Zhang & Bo Zhou,* Spatiotemporal control of photochromic upconversion through interfacial energy transfer, Nature Communications (2024) 15:?1923.

https://www.nature.com/articles/s41467-024-46228-5

【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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