在稀土上轉換納米晶怎么做到的？

　　 由于稀土上轉換納米晶具有將近紅外光轉換成短波長可見-紫外光的上轉換發光特性，同時中空核殼結構納米晶具有高比表面積及豐富可調的孔道結構等優點，中空核殼結構稀土上轉換納米晶在生物傳感及成像、藥物緩釋和醫學診療等方面具有廣泛的應用前景。迄今，合成中空核殼結構上轉換納米晶主要是利用硬模板法。然而，硬模板法需要先對上轉換納米晶進行二氧化硅或聚合物包覆，隨后通過選擇性腐蝕或者高溫煅燒去除模板，其合成工藝較復雜且無法實現在襯底上原位構筑中空核殼結構納米晶，從而大大限制了其應用范圍。

基于界面缺陷調控的電子束刻蝕實現中空核殼結構稀土上轉換納米晶原位構筑的原理示意圖

　　通過在稀土上轉換納米晶表面外延生長均勻包覆同質殼層通常被認為是減少原有納米晶表面缺陷密度，從而提高上轉換發光效率的一種有效策略。然而，對于同質包覆核殼結構上轉換納米晶核殼界面結構尤其是界面缺陷是否被顯著抑制等基礎問題尚缺乏深入的實驗研究。在國家自然科學基金杰出青年科學基金、科技部“973”計劃、中國科學院戰略性先導科技專項和創新國際團隊等的支持下，中科院福建物質結構研究所功能納米結構設計與組裝重點實驗室陳學元研究小組和王元生研究小組合作，徐金等通過電子束輻照核殼結構稀土上轉換納米晶（NaLuF4:Gd/Yb/Er@NaLuF4:Nd/Yb@NaLuF4）發現同質包覆核殼結構納米晶其內核與殼層界面處依然存在大量晶體缺陷，并且該界面缺陷濃度甚至高于內核中體相缺陷的濃度。在此基礎上，研究者們巧妙地利用這種界面缺陷調控，借助電子束刻蝕首次實現了在碳膜襯底上原位構筑中空核殼結構稀土上轉換納米晶。在一定功率密度的電子束輻照下，預先沉積于碳膜襯底上的核殼結構稀土上轉換納米晶由實心球體快速轉變為中空核殼結構，整個過程在30秒內即可完成，并且中空核殼結構納米晶依然保持原有的晶體結構。通過對納米晶由實心向中空核殼結構轉變過程的原位透射電鏡觀察，并結合理論模型分析，研究人員進一步揭示了該中空核殼結構形成的微觀機制：當納米晶受到高能電子束輻照時，納米晶中的Ln (稀土原子)、F、Na原子在與電子碰撞過程中獲得動能后掙脫晶格束縛而發生原子遷移或濺射，進而在納米晶中形成孔洞。由于核殼結構納米晶中核殼界面處存在大量缺陷，當受到電子束輻照時，核殼界面處晶格原子掙脫晶格束縛而發生原子遷移或濺射的幾率顯著增加，因此在該界面及其附近處優先快速形成球對稱的空心結構，最終實現納米晶由實心向中空核殼結構的轉變。該項研究結果表明，基于核殼結構納米晶的界面缺陷調控利用電子束對納米晶進行原子尺度刻蝕是一種原位構筑中空核殼結構稀土上轉換納米晶的行之有效的方法，該方法將為納米器件應用領域中原位構筑特殊結構功能化納米晶提供新思路。相關結果于7月25日在線發表于《先進科學》

　　此前，陳學元團隊在中空核殼結構稀土熒光生物探針的設計、合成及應用中已取得系列進展。例如，研制了一種以NaLuF4:Gd/Yb/Er為內核、多孔有機SiO2為殼層的中空核殼結構多功能稀土納米熒光生物探針，通過有效負載光敏劑，實現了對人肺癌細胞的上轉換光動力學治療和CT/上轉換熒光雙模成像；發展了一種“瓶中造船”法制備中空核殼結構稀土上轉換熒光探針。