华南理工周博教授团队NC：能量迁移操控实现光色可调上转换

【导读】
稀土上转换发光材料表现出优异的发光学性质，在诸多前沿领域表现出巨大的应用潜力。近期研究发现，能量迁移过程设计在上转换发光调控方面具有独特优势。然而，对于典型的敏化剂/激活剂共掺材料体系而言，能量迁移的发生及其与能量传递等其他过程的竞争关系尚未得到深入研究。而且能量迁移在时间尺度上会与其他过程同时发生，导致普通方法或材料设计难以将其区分并挑选出来。因此，如何获得能量迁移的规律以及实现对上转换发光颜色动力学调控是稀土发光领域的一项挑战性课题。

【成果掠影】
近日，华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室周博教授团队提出了一种研究微观尺度能量迁移过程的新策略。通过构建界面能量传递IET（Interfacial Energy Transfer）调控的核壳纳米结构和能量输运过程设计，成功观测到敏化剂/激活剂共掺上转换体系的能量迁移特性，并通过定义特征参量（γEM）描述了能量迁移和能量传递的竞争。该模型以常规的NaYF4:Yb/Er作为研究对象，以NaYF4:Nd为吸收808 nm敏化光的壳层，通过设计NaYF4:Yb/Tm探测能量迁移。Tm3+的发光变化反映了NaYF4:Yb/Er中间层里Yb3+→Yb3+能量迁移和Yb3+→Er3+能量传递的竞争关系，并进一步采用蒙特卡洛模拟验证了实验结论。此外，该模型通过时域调控可进一步实现上转换光色调控。本研究促进了上转换动力学过程的深入理解，为操控纳米结构中的能量输运和调控发光颜色提供了新方法，在逻辑运算和信息安全等方面展示出应用潜力。上述工作以“Manipulating energy migration in nanoparticles toward tunable photochromic upconversion”为题发表在Nat. Commun.上。

【图文导读】

图1：能量输运研究的概念模型
a,b) 传统敏化剂/激活剂共掺体系中的能量迁移和能量传递过程；
c) NaYF4:Yb/Tm@NaYF4:Yb/Er@NaYF4:Nd纳米结构设计及能量输运示意图。

图2：敏化剂/激活剂共掺体系中能量迁移研究
a) 808 nm激发时能量迁移和能量传递竞争示意图；
b) 样品上转换光谱；
c) 不同Er3+掺杂浓度的Tm3+发光强度变化；
d) 稳态激发时特征参量γEM实验值以及核中Yb3+激发态粒子数量计算值；
e,f) 808 nm脉冲光激发时，变Er3+掺杂浓度(e)测试的和(f)计算的Tm3+ 695 nm发光时间依赖曲线；
g)上转换发光的CIE色坐标；
h,i) 样品变脉宽808 nm激发上转换发射光谱和时间依赖曲线；
j) 非稳态上转换光色调控机理示意图。

图3：非稳态激发光色调控
a) 808 nm激发时核中Er3+的两种可能激活通道；
b,c) 样品吸收光谱和808 nm激发时的发射光谱；
d) 不同NaYF4:Yb/Er厚度的样品在808 nm激发时的红光和绿光发射强度变化；
e) NaYF4:Yb/Er厚度为11.0 nm的样品1530 nm和808 nm激发时的光谱；
f) NaYF4:Yb/Er厚度为4.9 nm的样品不同脉宽808 nm激发时的光谱；
g,h) 样品Er3+ 540和654 nm的时间依赖曲线；
i) 非稳态红-绿可调上转换机理示意图。

图4：前沿应用
a) 激发脉宽和频率调控的可编程输出示意图；
b,c) 光谱计算得到的绿-红比(b)和蓝-绿比(c)；
d) 激发频率编码的逻辑运算；
e,f) 利用输入调控的多重信息编码；
g) 信息安全应用演示。

【成果启示】
本文通过IET介导的纳米核壳结构设计研究了能量迁移和能量传递的竞争过程。敏化剂/激活剂共掺体系中存在能量迁移和能量传递的激烈竞争，可通过掺杂浓度、壳层厚度和结构设计等精细调控动力学过程，为上转换光色时域调控提供了重要方法。本文的研究结果有助于推动纳米尺度光物理过程的基础研究，对于研发下一代非线性光电器件具有重要借鉴意义。

论文的通讯作者为华南理工大学周博教授和张勤远教授，第一作者为博士后黄今殊。该研究工作得到了国家自然科学基金、博士后科学基金等项目资助。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-55258-y

【作者简介】
周博，男，华南理工大学教授、博士生导师，国家级人才计划入选者。课题组致力于稀土发光应用基础研究，在上转换发光物理机制、多光子过程调控、微观尺度离子相互作用、智能发光材料设计、光子器件等方面取得系列创新性成果，迄今以第一作者/通讯作者在 Nat. Photon.、Nat. Nanotech.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.、Chem. Soc. Rev.等著名期刊发表SCI收录论文80余篇，在国内外学术会议做大会/主题/邀请报告40余次，主持国家自然科学基金等多项。

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