可调谐多色上转换发光单分散β-KYF4纳米晶研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

稀土上转换发光材料是一类受到近红外光激发时可以发射出比激发波长短的荧光材料，展现了丰富而独特的发射光谱和发光特性，使其在光电子器件、电光源照明以及太阳能电池等方面都具有广阔的研究和应用价值，特别是其具有较大的光穿透深度（0.3～7mm）、无生物组织自发荧光以及对生物组织几乎无损伤等显著特点，因此有望取代传统生物荧光标记材料，在生物成像、检测、载药、即时诊断器件开发等生物医学领域具有广泛的应用前景。

与传统的发光材料相比，上转换发光材料具有以下显著特点：一是可有效降低光致电离所引起的基质材料的寿命衰退；二是不需要严格的晶格匹配，不要求高稳定性的激发波长；三是具有一定的上转换发光波长可调频率。到目前为止已发现很多稀土离子掺杂的无机材料都具有上转换发光性能。在已报道的上转换材料体系中，稀土氟化物由于在特定波长范围内具有较好的透光性，有降低的声子能和较高的光致损伤阈值，可以作为较理想的稀土掺杂基质。目前关于掺杂氟化物基质的研究主要集中在氟化钇钠（nayf4），氟化钆钠(nagdf4)或氟化钇锂(liyf4)等体系。其中，nayf4由于声子能量低、发光寿命长、稀土离子掺杂溶度高等特性，是目前上转换发光效率最高的基质材料。一般来说，上转换纳米粒子的构成还包括敏化剂和激活离子的掺杂，yb3 敏化的氟化物纳米晶被认为是最有效的上转换器，因为其低能量的声子可以减少稀土离子的激发态淬火影响且对近红外有最大的吸收截面。krameret等人研究确定yb3 ,er3 /tm3 掺杂的微米级别的六方相nayf4有最高的上转换效率，以及六方相的nagdf4和naluf4。尽管如此，最高效率的yb/er共掺杂nayf4基质上转换发光材料的发光效率只有5%的量子产率，限制了其在太阳能电池和生物探针等领域的进一步应用。因此寻找合适的基质材料仍然是人们研究的焦点和难题。镧系掺杂的kyf4也是一种最有效的将近红外转换为可见光的上转换基质材料，有些文献报道了四方相的kyf4合成及发光特性研究，比如schafer等人报道了四方相的kyf4:yb,er纳米晶的合成，白光发射的立方相α-kyf4:yb3 -er3 -tm3 也被j.mendez-ramos等人成功合成。更重要的是，yanes等人报道了紫外到近红外发射的掺杂eu3 和共掺yb3 /tm3 立方相的a-kyf4-sio2。但是，四方相纳米晶的量子效率一般比六方相结构的纳米晶低一个数量级。就我所知，没有更多的文献报道β-kyf4六方相纳米晶的合成及发光特性的研究。

目前，β-reyf4:yb3 ,er3 /tm3 （re=li、na、k和gd）是公认的发光效率最高的氟化物基质材料，稀土镱离子（yb3 ）敏化的纳米散装材料在目前的上转换器显示了最有效的发光效率，可以将吸收的能量转移到邻近的发射出绿色红色区域的铒离子（er3 ），或者发射出蓝色-近红外区的铥离子（tm3 ）。如何避免光损伤和实现高增益对于β-reyf4氟化物纳米晶合成来说是一种挑战。为了克服这个问题，实现在宽光谱范围内的多排放有助于足够的能量反转以同时满足2-和3-光子上转换过程，被证明是一种有效的方法。比如，pichaandietal.学者有报道说通过自发辐射的放大实现naybf4:yb/er@nayf4核-壳纳米晶同时可以达到2-和3-光子上转换过程（j.phys.chem.c.2011,115,19054），同时，mahalingamvetal.报道了共掺杂tm3 /yb3 的liyf4纳米晶胶体通过上转换过程的激励下发射出尖锐的跨越紫外到近红外区域光谱的强峰（adv.mater.2009,21,4025）。很少文献报道关于实现β-kyf4氟化物的发光高增益和避免光损伤的制备方法。另一方面，大量的努力致力于优化上转换多色发光的调节。虽然通过控制掺杂/主机组合和浓度实现三种基本的蓝、绿、红颜色的可见光的调谐发射已经被报道，但是关于β-kyf4纳米晶的多色发光研究甚少，特别是没有既定的方法通过单波长的激发来微调上变频发射实现紫外-近红外区域的彩色输出。

2. 研究的基本内容与方案

本课题着重研究一种多色调谐发光的kyf4上转换荧光材料及其及其稀土掺杂的上转换发光特性。利用本方法制备出的er3 /yb3 和tm3 /yb3 共掺杂的β-kyf4胶体纳米晶在980nm半导体激光器的激励下显示从紫外到近红外区域的多光谱性能，并发射出明亮的上转换发光。通过调节(yb3 、er3 或tm3 )掺杂离子浓度实现β-kyf4纳米晶从蓝色到红色的可见光输出。

2.1本课题的内容如下：

1）本课题内容之一是成功制备多色调谐发光的β-kyf4上转换荧光材料，其特征在于该材料化学表达式为：β-kyf4:x%yb3 ,y%er3 /tm3 ，其中包括三种不同掺杂离子或掺杂浓度的β-kyf4纳米晶:β-kyf4:x%yb3 /2%er3 ,β-kyf4:20%yb3 /0.2%er3 ，β-kyf4:25%yb3 /0.2%tm3 。稀土敏化离子yb3 依次按照x%=20,35,50,和78%的比例取代主机元素y3 ，每份样品稀土离子掺杂的总摩尔数量为1-2mmol。

3. 研究计划与安排

4. 参考文献（12篇以上）

1n.niu,p.yang,f.he,x.zhang,s.gai,c.liandj.lin,j.mater.chem.,2012,22,10889–10899.

2f.zhang,g.b.braun,y.f.shi,y.c.zhang,x.h.sun,n.o.reich,d.zhaoandg.stucky,j.am.chem.soc.,2010,132,2850–2851.

3f.zhang,g.b.braun,a.pallaoro,y.zhang,y.shi,d.cui,m.moskovits,d.zhaoandg.stucky,nanolett.,2012,12,61–67.