上转换材料研究

—如海光电来助力

一、研究背景

上转换发光指材料吸收长波长的低能光而发射短波长的高能光的现象，被称为反-斯托克斯发光。机理是发光中心吸收两个或者多个长波长光子，后经过无辐射弛豫到达激发态，随后再从激发态跃迁至基态的过程中，释放出短波长的光子。上转换发光过程可按机制分为五种：①激发态吸收（ESA）；②能量传递上转换（ETU）；③合作上转换（CU）；④能量迁移上转换（EMU）；⑤光子雪崩（PA）。图1表示五种上转换发光机制的实现过程。

图1 五种上转换发光机制

光子上转换是一种重要的非线性反斯托克斯发光现象，在太阳能电池、生物医学成像、信息安全、温度传感器等领域具有广阔的应用前景。稀土离子是一类理想的上转换发光中心，可以实现发射波长精细可调、覆盖近红外-可见光-近紫外的上转换发光。

二、上转换材料研究内容

以太阳能电池应用为例，上转换材料可以将红外光转换成能量更高的紫外光和可见光，进而可以被半导体吸收，是拓展利用红外光进行光催化的一种重要的手段。将上转换材料与半导体材料复合是制备高效近红外光催化材料简单、有效的方法之一。上转换材料荧光发射光谱是其性能的重要表征手段。在980 nm半导体激光器的激发下，Yb³⁺-Er³⁺共掺杂的上转换发光材料可以在525、550 nm处发射绿色光，其发射峰对应于²H_11/2/⁴S_3/2→⁴I_15/2跃迁，其发射的红色上转换发光在660 nm处，对应于^４F_9/2→⁴I_15/2跃迁，如图2所示。

图2 Yb³⁺-Er³⁺/Yb³⁺-Tm³⁺共掺上转换材料在980 nm激发下的发光谱

吴佳玲研究油酸酒精和柠檬酸钠辅助下水热合成的NaYF₄: Yb³⁺/Tm³⁺的不同，在980 nm激发下测得的NaYF₄: Yb³⁺/Tm³⁺的上转换发射光谱如图3所示。由图可知，NaYF₄: Yb³⁺/Tm³⁺上转换发光强度，柠檬酸钠法辅助制备的大于油酸酒精法辅助制备的；发光强度随着Yb离子浓度的增大而增大。并且在其他条件相同的情况下，尺寸大的微晶体其荧光强度相对越大。

图3 980 nm激发下NaYF₄: Yb³⁺/Tm³⁺的上转换发射光谱

黄蕊通过测定980 nm激光激发下Er³⁺、Mn⁴⁺单掺杂，Er³⁺/Mn⁴⁺共掺杂NMGT荧光粉在500-800 nm范围内的上转换发射光谱，以及600 nm-800 nm范围内NMGT: 0.01Mn⁴⁺在455 nm激发下的发射光谱，确定了样品的最佳组成为NMGT: 0.08Er³⁺/0.06Yb³⁺/0.002Mn⁴⁺，如图4所示。图4中的插图(a)进一步给出了在750 nm-900 nm区域内NMGT: Er³⁺和 NMGT：Er³⁺/Mn⁴⁺的上转换光谱。将980 nm激光器作为激发源，在NMGT: 0.08Er³⁺荧光粉中观察到两个位于544 nm和656 nm附近的强发射带和一个以850 nm为中心的弱发射带，这分别是由Er³⁺的²H_11/2、⁴S_3/2→⁴I_15/2、⁴F_9/2→⁴I_15/2和⁴S_3/2→²I_13/2跃迁产生的。图4中的插图(b)呈现了掺杂不同浓度的Er³⁺时，Mn⁴⁺: 2E→4A2 跃迁对应的发射带的荧光强度的变化。Mn⁴⁺的发射强度随Er³⁺含量的提高而增加，达到最大值时x=0.08。当Er³⁺掺杂含量大于0.08时，发射强度由于浓度猝灭而逐渐减小。

图4 980 nm激发的NMGT: xEr³⁺/zMn⁴⁺（x=0,0.08;z=0,0.01）的上转换光谱和455 nm激发下的NMGT: 0.01Mn⁴⁺的发射光谱，插图（a）NMGT: Er³⁺在750 nm-900 nm区域的上转换光谱（b）Mn⁴⁺的发射强度与Er³⁺浓度的关系

三、LIFS980 激光诱导荧光光谱仪

LIFS980高度集成，轻巧便捷；高稳定性；可以选配线阵、面阵、深制冷光谱仪，输出功率支持0-500 mW调节，方便科研人员测试上转换发光材料在不同激发功率时的荧光发射光谱。检测结果客观准确，客户可根据应用需求选择适合的产品。

      图5 LIFS 980 nm激光诱导荧光光谱仪

注：以上规格为标准配置，可根据客户具体需求，提供定制产品。

参考文献

Dong, Hao; Sun, Ling-Dong; Yan, Chun-Hua (2015). Energy transfer in lanthanide upconversion studies for extended optical applications. Chem. Soc. Rev. 44(6), 1608–1634. doi: 10.1039/C4CS00188E

吴佳玲.稀土离子掺杂的微晶体上转换发光特性研究[J/OL].激光与光电子学进展:1-14.[2021-11-10]. 

黄蕊. 980 nm激发下稀土离子敏化的Mn⁴⁺的上转换发光[D].湘潭大学,2020.

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