近期，華中科技大學(xué)材料學(xué)院材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室新材料與器件研究中心團隊與中國科學(xué)院化學(xué)研究所在《自然·通訊》（Nature Communications）上合作發(fā)表了關(guān)于稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的最新研究成果“Enhancing multiphoton upconversion through interfacial energy transfer in multilayered nanoparticles”（通過界面能量傳遞增強多層結(jié)構(gòu)納米粒子的多光子上轉(zhuǎn)換發(fā)光）。該工作由材料學(xué)院馬穎教授團隊、中國科學(xué)院化學(xué)研究所姚建年院士、張闖研究員以及中國科學(xué)院高能物理研究所谷戰(zhàn)軍研究員合作完成。材料學(xué)院2016級碩士研究生周斌、2016級博士研究生唐冰為論文共同第一作者，馬穎教授為論文的通訊作者。

圖1. NaYF4:Er@NaYbF4@NaYF4 核-殼-殼納米顆粒的結(jié)構(gòu)(a)和傳統(tǒng)NaYF4:Yb, Er@NaYF4 共摻雜核-殼納米顆粒的結(jié)構(gòu)(b)示意圖

上轉(zhuǎn)換發(fā)光即反-斯托克斯（Anti-Stokes）發(fā)光，其特征在于通過中間長壽命能量狀態(tài)連續(xù)吸收兩個或更多個泵浦光子，然后以比泵浦波長更短的波長發(fā)射輸出輻射。上轉(zhuǎn)換發(fā)光在顯示器、太陽能電池、緊湊型固態(tài)激光器、紅外量子計數(shù)器探測器以及溫度傳感器等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。上轉(zhuǎn)換納米顆粒通常由無機基質(zhì)及鑲嵌在其中的稀土摻雜離子組成，NaYF4是上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率最高的基質(zhì)材料之一，為了增強上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率，作為敏化劑與激活劑的稀土離子通常共同摻雜，比如NaYF4:Yb3+, Er3+體系中，Er3+作為激活劑，Yb3+作為敏化劑。為了盡量避免激發(fā)能量因交叉弛豫而造成的損失，在敏化劑-激活劑共摻雜體系中，激活劑的摻雜濃度通常不超過2%。較低的摻雜濃度導(dǎo)致發(fā)光效率和強度較低，嚴(yán)重限制了上轉(zhuǎn)換納米顆粒的應(yīng)用，因此近年來人們一直致力于提高稀土摻雜納米顆粒上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率的研究工作。根據(jù)能量傳遞機制和發(fā)光猝滅途徑，設(shè)計新型結(jié)構(gòu)來優(yōu)化能量傳遞路徑，減少非輻射能量損失，克服共摻雜體系的濃度猝滅效應(yīng)，提高摻雜濃度以制備高亮度、高效率的上轉(zhuǎn)換納米顆粒，是稀土上轉(zhuǎn)換納米材料中最重要的研究目標(biāo)。

圖2. 核-殼-殼納米顆粒的電鏡表征和顯著增強的多光子上轉(zhuǎn)換發(fā)光

在該研究中，合作團隊通過多層結(jié)構(gòu)（NaYF4: Er@NaYbF4@NaYF4）設(shè)計，將敏化劑和激活劑在空間上相互分隔，成功抑制了敏化劑和激活劑之間的交叉弛豫。即使在高摻雜濃度下（Er3+的濃度為10~50%），也沒有發(fā)生明顯的濃度猝滅效應(yīng)，并且多光子上轉(zhuǎn)換發(fā)光比傳統(tǒng)共摻雜體系（NaYF4:Yb3+, Er3+@NaYF4）增強約100倍。這一結(jié)果表明能量遷移輔助的界面能量傳遞是高效的能量傳遞上轉(zhuǎn)換過程。通過不同濃度、敏化層厚等結(jié)構(gòu)的發(fā)光衰減動力學(xué)研究進一步證明了這一能量傳遞機制。這種多層結(jié)構(gòu)可以有效突破共摻雜濃度局限，減弱交叉弛豫等非輻射能量損失，在NaYF4: Er@NaYbF4@NaYF4 納米顆粒中實現(xiàn)了較高的量子產(chǎn)率。由于敏化劑和激活劑之間的交叉弛豫被抑制，不同于傳統(tǒng)共摻雜核殼結(jié)構(gòu)的紅光發(fā)射增強，在溫度降低時，多層結(jié)構(gòu)的多光子藍光發(fā)射得到顯著增強。顯然，利用能量遷移輔助的界面能量傳遞可以更加靈活地設(shè)計和合成高效發(fā)光的稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒，以滿足實際應(yīng)用需求，尤其是在需要高能量光子發(fā)射的光遺傳學(xué)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值。

該研究得到國家自然科學(xué)基金、科技部國家重點研發(fā)計劃和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費等項目的資助。