基于Tb3+的上转换纳米粒子结构设计与发光调控

编号：NMJS09589

篇名：基于Tb3+的上转换纳米粒子结构设计与发光调控

作者：荀文斐

关键词： 上转换纳米粒子; 光子晶体; “核-壳”结构; 发光调控;

机构： 大连理工大学

摘要： 稀土掺杂的上转换发光材料是一类能够吸收低频率光子、发射高频率光子的发光材料,其显著的特点是具有反斯托克斯位移。稀土掺杂的上转换发光材料由于具有荧光寿命长、背景干扰弱、组织穿透性强、化学稳定性高等优点,被广泛应用于防伪、生物荧光标记、高性能传感器等领域。 其中,808 nm激发的Nd3+掺杂上转换纳米粒子（UCNPs）在富含水体系中应用时具有较低的热效应,因而成为新的研究热点。不同于传统的利用Tm3+介导的能量迁移上转换的方法,本文通过设计Na YF4:Yb/Tb@Na YF4:Yb@Na Nd F4:Yb@Na YF4多层核壳结构,实现了Tb3+在808 nm近红外光激发下明亮的上转换发光。在该结构中,激活剂Tb3+掺杂在内核中,敏化剂Nd3+掺杂在敏化壳层（Na Nd F4:Yb）中,Nd3+和Tb3+被一个能量迁移壳层（Na YF4:Yb）隔开,从而消除发生在核壳界面的Tb3+→Nd3+反向能量转移的负面影响。Nd3+受808 nm近红光激发后,通过能量转移激发敏化层中共掺的Yb3+,经Yb亚晶格能量迁移激活Tb3+,从而实现Tb3+的上转换发光。最后,包覆惰性的Na YF4壳层,通过降低表面淬灭进一步增强发光。当Yb3+离子在迁移层中的掺杂浓度为40%时,得到具有明亮的绿色发光核-壳-壳-壳UCNPs,且在808 nm激光穿透4 cm水后仍可被有效激发。 除了核-壳结构的内部调控对Tb3+的上转换发光增强外,光子晶体作为一种外部发光调控手段可以进一步增强Tb3+在808 nm近红外光激发下的上转换发光强度。利用由具有中等折射率的Cd S微球构筑的光子晶体同时存在光子带隙和基于米氏散射的电磁共振作用的特征,通过对微球粒径的调控成功制备了具有双反射峰的光子晶体结构。其中,直径为305 nm的硫化镉微球构筑的光子晶体的电磁共振峰位置为540 nm,光子带隙峰位置为815 nm,分别匹配了上述合成的上转换纳米粒子的发射波长和激发波长。将制备的上转换粒子复合在该光子晶体表面,可以使上转换粒子的发光进一步增强。