陈冠英教授，Nature Photonics观点：尺寸相关的镧系离子能量传递增强上转换发光量子产率

二维码

【文章信息】

尺寸相关的镧系离子能量传递增强上转换发光量子产率
第一作者：李凤，涂浪平
通讯作者：陈冠英*
单位：哈尔滨工业大学
【研究背景】

稀土上转换纳米晶是一类新兴的反斯托克斯发光材料，在信息安全、生物医学、微纳激光器、超分辨光学显微成像、三维立体显示和能源等领域中具有重要应用。然而，由于纳米结构存在严重的发光猝灭效应（包括体缺陷猝灭、尺寸诱导的表面猝灭等），激发态能量迁移过程存在严重的能量耗散。因此，纳米尺寸上转换材料的量子产率通常比块体对应物材料低几个数量级（约10-1000倍），极大制约其相关应用研究。实现高量子产率的上转换发光对稀土发光研究具有重要意义。
【文章简介】

近日，来自哈尔滨工业大学的陈冠英教授，在国际知名期刊《Nature Photonics》上发表题为“Size-dependent lanthanide energy transfer amplifies upconversion luminescence quantum yields”的研究文章。陈冠英教授团队构建了六方相镱铥掺杂、三明治夹心结构（核-壳-壳结构）的氟化物上转换纳米晶，运用内核和外壳层惰性材料的有效限域隔离保护，通过精准调控中间层厚度（1.2-13纳米），展示了该材料上转换量子效率的尺寸依赖效应。光谱研究和理论微观模型证实该效应与传统认知的表面猝灭效应无关，主要由镧系元素间的长程（10 纳米量级）能量传递过程诱发。最终，团队在亚50纳米尺寸的氟化物纳米晶中获得上转换量子产率高达13%（激光波长：980纳米，功率密度：100瓦/平方厘米），比相同激发条件下微米级的六方相镱铥掺杂块体对应材料高约4倍。该上转换量子产率为纳米结构上转换材料迄今为止历史最高纪录。该研究首次揭示了稀土离子在纳米晶中存在尺寸依赖的离子间长程能量传递的物理机制，不仅改变了人们长期以来对稀土离子间能量转移物理图像（不应具有尺寸依赖性）的概念理解，相关材料还将在相关纳米光子学和生物光子学应用中发挥重要价值。
【本文要点】

要点一： NaYF4@NaYF4:Yb/Tm@NaYF4 核-壳-壳纳米结构表征，高角环形暗场像显示清晰的三明治结构。



图1. 合成的核-壳-壳 NaYF4@ NaYF4:Yb/Tm@NaYF4 纳米结构的表征。

要点二：活性中间层厚度相关的上转换光谱性质，随着中间层厚度增加，Tm离子各能级发光出现不同倍数的增加。



图2. 本文设计的具有可调中间壳层厚度的核-壳-壳纳米结构中的光学上转换光谱性质。

要点三：活性中间层厚度相关的上转换量子产率（UCQY）与发光亮度，上转换量子产率可达13%，比相同激发条件下微米级的六方相镱铥掺杂块体对应材料高约4倍。



图3. 活性中间层厚度相关的功率依赖的上转换量子产率（UCQY）。

要点四：活性层厚度相关的上转换量子产率(UCQY)的机理探究，活性厚度从1.2增加至13 nm，Yb向Tm能量传递效率从30.2提升至50.4%



图4. 尺寸相关的能量传递速率与效率。

要点五：活性层厚度相关的上转换量子产率(UCQY)的微观模拟



图5 尺寸相关的能量传递蒙特卡罗模拟。

要点六：不同激活剂 （Er）和核壳结构的活性层厚度相关上转换量子产率(UCQY)



图6. 基于铒Er激活剂尺寸相关的上转换发光性质和量子产率

【文章链接】

Size-dependent lanthanide energy transfer amplifies upconversion luminescence quantum yields
https://www.nature.com/articles/s41566-024-01393-3
【通讯作者简介】

陈冠英教授简介：哈尔滨工业大学教授/博士生导师，国家级青年人才(2018、2014)，黑龙江省杰出青年基金获得者(2023)，哈工大青年科学家工作室负责人(2019)。入选黑龙江省头雁团队(2019)、爱思唯尔“中国高被引学者”(2021年至今)。目前，出版英文专著1部，专章8章；在Nat. Photon.、Nat. Commun.、Chem. Rev.、Adv. Mater.等国际期刊发表SCI论文170余篇，论文被Nature等期刊正面他引17,000余次，H因子61。获黑龙江省科技进步一等奖1项(排名第2)、中国稀土科学技术奖二等奖1项（排名第1）。





原文地址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/687792917