1. 研究目的与意义（文献综述）
能源是国民经济的血液和动力,关系到经济社会正常运行和发展,关系到经济安全和国家安全,关系到生态环境,也涉及到子孙后代的生存与发展.自20世纪50年代以后,由于石油危机的爆发,人们开始关注“能源危机”能源危机问题.而稀土元素在光学高新材料方面展现出的卓越性能,有望成为解决这一难题的有益助力.
回顾历史,人类社会的发展史,也是材料不断发展更新的进化史,无论是从远古时期的石器时代,还是到后来的陶器时代、青铜时代和铁器时代,以及现代社会,每一次材料的改革都实现了生产力的质的飞跃;相应地,社会面貌也随着材料的改革发生了天翻地覆的变化.随着科学技术的不断发展,人们不再满足于仅仅利用材料的结构和力学性能,而是慢慢开始探索材料的微观结构和性质,并开始按照其物理、化学和生物学等固有性质有目的、有意识地对材料进行改进和创造,其中稀土元素化合物表现出的优异的光、电、磁等特性吸引了众多科研工作者的兴趣[1,2].
从1908年becguerel发现稀土锐吸收谱线开始,人类便开始一点点揭开稀土元素的神秘面纱,也从此打开了一个巨大发光宝库的大门[1].
2. 研究的基本内容与方案
2.1 研究的目标
2.1.1 掌握稀土掺杂上转换发光材料的发光原理及核壳结构的性质.
2.1.2 研究稀土核壳结构上转换发光材料的特性、制备方法.
2.1.3 分析掺杂不同浓度的敏化剂Yb3 对稀土核壳结构上转换发光的影响(包括发光强度、浓度猝灭、量子效率等).
2.2 研究的基本内容
查阅文献,选择合适的方法制备出稀土β-NaGdF4:Yb3 ,Er3 @NaGdF4核壳结构,并研究不同浓度的敏化剂Yb3 对稀土核壳结构上转换发光的影响(包括发光强度、浓度猝灭、量子效率等).
2.3 设计方案及措施
2.3.1稀土β-NaGdF4:Yb3 ,Er3 材料的制备
上转换发光材料[5,10]是吸收长波长光而发射出短波长光的一种新型材料,可有效避免散射光现象和生物样品自体荧光的干扰,从而提高检测的灵敏度和信噪比.而稀土氟化物[11,12]是制备上转换发光材料的理想基质材料,主要原因是它具有较低的声子能量、较高的热稳定性、环境稳定性和反应温度较低等优点.
稀土β-NaGdF4:Yb3 ,Er3 的制备按照原料状态的不同大致可分为固相法、气相法、液相法三类.固相法操作简单,但所得产物缺陷较多;气相法虽能制得粒径小,尺寸分布窄的产物,但对设备要求高,难以大规模生产.液相法具有操作简单,反应条件温和,所得产物纯度较高等特点,因此近年来得到迅猛发展,是目前纳米材料的主要制备方法.液相法包括了水热法[13,14,15,16,17,18],溶胶-凝胶法[19],沉淀法[20]等.
| 稀土β-NaGdF4:Yb3 ,Er3 材料的制备方法 | 水热法 | 沉淀法 | 溶胶-凝胶法 |
| 优点 | 1.大多水热反应温度较低,有利于产品大规模制造. 2.大多水热反应在反应釜中进行,有利于有毒体系中的合成反应. 3.所得产品纯度高,分散性好,晶型好且尺寸容易控制. 4.晶粒发育好,避免了因高温锻炼,球磨而产生的杂质和结构缺陷. | 1.溶液成核快 2.易控制 3.操作简单 4.产品纯度高. | 1.所得产品纯度高、粒径分布均匀、化学活性大. |
| 缺点 | 暂未发现 | 1.产品难过滤，易团聚 | 1. 原材料价格较高. 2. 凝胶颗粒之间烧结性差. 3.产物干燥时收缩较大. |
表1：稀土β-NaGdF4:Yb3 ,Er3 材料的制备方法比较[20]
由上述表格可得,水热法是制备稀土β-NaGdF4:Yb3 ,Er3 比较好的方法,故本文采用水热法制备所需材料.具体制备法如下所示:
a.用水热法来制备稀土β-NaGdF4:Yb3 ,Er3 材料[14]:
(1)将稀土氧化物Gd2O3、Er2O3和Yb2O3用1:1（体积比）HNO3分别溶解成0.1mol/l、0.05mol/l和0.1mol/l的硝酸盐溶液。
(2)按化学计量比分别量取硝酸盐溶液混合,然后在搅拌状态下加入(稀土离子与NaF摩尔比为1:5)的NaF粉末.
(3)用体积比为1:1的氨水将步骤(2)中所得溶液的PH调节到9.0,并搅拌30min.
(4)将混合液移到四氟乙烯容器中,填充至80%并盖好,然后转移到反应釜中,并将反应釜置于炉中于180℃保温24h,最后将冷却至室温,将沉淀物离心,用蒸馏水和乙醇洗涤2~3次后,在60℃烤箱中烘干.
b. 柠檬氨酸辅助水热法制备稀土β-NaGdF4:Yb3 ,Er3 材料[15] :
(1)按照摩尔比（Gd3 :Yb3 ：Er3 =78：20：2）称取一定量的Gd（NO3）3·6H2O、Yb（NO3）3·6H2O、Er（NO3）3·6H2O溶解于去离子水.
(2)按照稀土离子和柠檬酸摩尔比为1:2量添加柠檬酸，然后在搅拌状态下加入（稀土离子与NaF摩尔比为1:12）水溶液滴加至上述稀土溶液中。
(3)搅拌15min,将所得乳白色胶体转移到50ml的反应釜中,并于200℃恒温12h。
(4)取釜,自然冷却到室温后,离心分离并用去离子水洗涤3次,最后于60℃条件下干燥12h后得到样品.
3. 研究计划与安排
第1-3周:首先,查阅相关文献资料,明确研究内容,基本确立研究思路,完成开题报告初稿.然后在老师的指导下,查阅资料进行完善.最后进行外文翻译.
第4-8周:查阅相关文献资料,掌握稀土掺杂上转换发光材料的发光原理及核壳结构的性质,完成绪论.
第9-13周:利用水热法制备稀土β-nagdf4:yb3 ,er3 材料,并研究稀土掺杂上转换发光材料的特性和分析掺杂不同浓度的敏华剂yb3 对稀土核壳结构上转换发光的影响.
4. 参考文献（12篇以上）
[1] 杜小煜. 纳米核壳氟化物材料的合成及其荧光性质、光温特性研究[d].南京邮电大学,2017.
[2] 杨建虎,戴世勋,姜中宏.稀土离子的上转换发光及研究进展[j].物理学进展,2003(03):284-298.
[3] fan y,liu l,zhang f, et al.exploiting lanthanide-doped upconversion nanoparticles with core/shell structures[j]. nano today, 2019,25(1):68-84.
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