研究揭示氟化鉺鋰上轉換發光納米晶激發態動力學機制

　　稀土高摻上轉換納米晶相對其低摻體系具有更強的離子間相互作用，在單顆粒示蹤、超分辨成像、微納光學等領域具有應用前景。然而，受濃度猝滅的影響，稀土高摻納米晶普遍存在上轉換發光效率較低的問題。能量遷移和交叉弛豫是引起濃度猝滅的主要原因，但何種機制占主導地位尚存爭議。對稀土高摻上轉換納米晶開展基礎發光物理研究，并揭示濃度猝滅的物理機制，對于探討上轉換發光機理、開發高亮度的稀土上轉換納米發光材料及其應用具有重要意義。

　　中國科學院福建物質結構研究所陳學元團隊研究員黃萍和鄭偉，通過變溫上轉換熒光光譜和熒光壽命等測試手段，對氟化鉺鋰（LiErF4）體系上轉換納米晶的激發態動力學開展研究，揭示其濃度猝滅的物理機制主要源于Er3+離子4I13/2激發態能量到納米晶晶格和表面缺陷的長距離遷移，而非此前文獻報道的NaErF4體系中Er3+的交叉弛豫過程。研究發現，利用惰性殼層包覆、三明治夾心結構的空間限域以及引入Tm3+作為能量俘獲中心的協同優化策略，可抑制Er3+:4I13/2能量遷移介導的激發態能量耗散，將Er3+的上轉換發光強度提高760倍，且其上轉換發光量子產率從<0.01%提升到2.29%。

　　該團隊基于能量擴散理論，并利用限域能量遷移模型，解析Er3+:4I13/2能級的變溫熒光衰減動力學過程，計算出LiYF4@LiErF4@LiYF4（Y@100Er@Y）納米晶中Er3+的能量遷移速率（KD）。當溫度從室溫降到77 K時，KD從3.74 × 103 s?1降到3.57 × 102 s?1，因此在低溫下Y@100Er@Y納米晶的上轉換發光強度顯著提升。當共摻微量Tm3+離子后，由于引入Er3+ → Tm3+ → Er3+新的能量傳遞通道，使Er3+的長距離能量遷移受到抑制。因此，與Y@100Er@Y相比，Y@Er/0.5Tm@Y納米晶Er3+的上轉換發光強度和熱穩定性均得到提升，473 K下上轉換發光強度仍能保持室溫值的81%。

　　這一研究為稀土高摻上轉換納米發光體系的激發態動力學研究提供了新發現，并為高效上轉換稀土納米晶的設計合成及其在單顆粒尺度的應用開發奠定了理論基礎。

　　相關研究成果在線發表在《納米快報》（Nano Letters）上。