基于稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光的單粒子多色材料的設(shè)計合成及其顏色調(diào)制.pdf

1、稀土摻雜的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料是一種可以把長波長、低能量的近紅外光轉(zhuǎn)化為短波長、高能量的紫外或可見光的無機晶體材料。由于稀土離子種類繁多且具有非常豐富的階梯狀4f能級，這不僅使上轉(zhuǎn)換多光子的激發(fā)過程成為現(xiàn)實，更使材料的發(fā)射譜線覆蓋了整個可見光區(qū)，為寬范圍的顏色調(diào)控提供了無限可能。與傳統(tǒng)的熒光染料和量子點相比，因其采用近紅外光激發(fā)，穿透能力強，可避免背景熒光的干擾。此外，上轉(zhuǎn)換發(fā)光還具有譜帶窄、壽命長、光穩(wěn)定性高等特點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于顯示成像

2、、生物標記、醫(yī)學診斷、光動力治療等領(lǐng)域。在本博士論文中，我們以在單一納米粒子上集成具有多種顏色發(fā)射的上轉(zhuǎn)換離子為核心思想，嘗試了幾種常見的上轉(zhuǎn)換材料體系，以獲得紅-綠-藍三原色的輸出;利用核-殼結(jié)構(gòu)策略，將不同的發(fā)光中心整合到單個納米粒子上，構(gòu)筑出具有多色發(fā)射的單一納米粒子;研究了激發(fā)波長和激發(fā)能量對粒子發(fā)射顏色的影響，實現(xiàn)了對發(fā)光顏色的可控調(diào)制;以單粒子的顏色變化為導向，初步揭示了其在多色顯示和生物標記領(lǐng)域中的應(yīng)用。本論文的主要研究內(nèi)

3、容如下:
　　1.我們首先選取了三種經(jīng)典的上轉(zhuǎn)換發(fā)射材料基質(zhì)體系，包括磷酸鹽、氧化物和氟化物。嘗試了各種基質(zhì)最適宜的合成方法，并通過多種表征手段考察了合成方法對產(chǎn)品形貌、結(jié)構(gòu)及發(fā)光性能的影響。探討了通過Er3+、Tm3+、Ho3+等稀土離子摻雜實現(xiàn)紅-綠-藍三原色的單色輸出，為下一步實現(xiàn)單個粒子上的光譜組合打下堅實的基礎(chǔ)。
　　2.利用逐層熱注射法將具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光效應(yīng)的Tm或Er元素和下轉(zhuǎn)換紅色發(fā)光效應(yīng)的Eu元素整合到以氟化

4、物NaGdF4為基質(zhì)的單個納米粒子上，實現(xiàn)了雙波長調(diào)制的雙色發(fā)射。首先，核內(nèi)摻雜有Yb元素和Tm或Er元素，在980 nm近紅外光激發(fā)下，粒子表現(xiàn)出Er的綠色特征發(fā)射或Tm的藍色特征發(fā)射;殼層中摻雜有Eu元素，在254 nm紫外光激發(fā)下，粒子表現(xiàn)出Eu的紅色特征發(fā)射。同時，為了防止兩種發(fā)光單元之間的相互作用導致的發(fā)光猝滅，采用了NaYF4鈍化層將兩種發(fā)光單元隔絕開來，提高了發(fā)光效率。
　　3.采用層層外延生長技術(shù)和紅、綠、藍三基色

5、的組合策略，將具有不同顏色發(fā)射的Er、Tm與Eu三種稀土離子整合到單個粒子上，成功構(gòu)筑了單粒子上轉(zhuǎn)換白光材料。通過高分辨透射電鏡、XRD粉末衍射等手段證明了合成的白光單粒子具有三層結(jié)構(gòu)，元素的分布與比例符合預(yù)先的設(shè)計。進行了一系列的對比實驗，表明這種三層結(jié)構(gòu)對三色輸出具有決定作用。以顏色疊加原理為出發(fā)點，優(yōu)化了三種稀土元素的摻雜比例，使三色比例復合成明亮的白光。
　　4.由于我們合成的單粒子白光材料采用了三種稀土離子的光譜疊加策略