Er 3+ 掺杂氟化物核壳纳米晶的构筑与上转换性能调控研究

发布时间：2021-10-27 07:57

　　稀土掺杂氟化物上转换纳米晶体因其独特的光学性质,在光谱转换、太阳能电池、荧光显示、生物/细胞成像、传感检测、超分辨显微成像、微纳激光器等领域有着广泛的应用。尽管上转换纳米晶体具备较大的反斯托克斯位移、光稳定性好、无光漂白、检测背景低、信噪比高和组织穿透能力强等诸多优越的特点,但也存在着一些亟需解决的关键性问题。尤其是,稀土离子本身固有的窄带吸收和弱吸收的特性,导致上转换发光效率低,限制了其进一步的应用。本文以Er³⁺掺杂氟化物上转换体系为研究对象,针对上转换发光强度低的问题,通过宽带强吸收有机染料级联敏化体系设计、活性发光离子高浓度掺杂及浓度猝灭抑制、激发态能量限制体系设计和优化等途径,实现高效上转换纳米体系的构筑,并对其在太阳能电池、生物细胞标记和成像以及温度传感等方面的应用开展研究。构建有机染料级联敏化上转换纳米体系,拓展稀土离子的光谱响应区间,增强光子捕获能力。基于该有机-无机杂化体系的能量传递途径,通过对能量匹配性和能量传递距离的优化,筛选能与纳米颗粒有效螯合的近红外染料分子IR783,并选择与其能量较为匹配的Nd³⁺离子作为能量迁移... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：141 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题背景及研究目的和意义
    1.2 稀土掺杂上转换发光机制
        1.2.1 激发态吸收上转换
        1.2.2 能量传递上转换
        1.2.3 光子雪崩
        1.2.4 能量迁移上转换
        1.2.5 合作敏化上转换
        1.2.6 交叉弛豫
    1.3 稀土掺杂上转换纳米晶的制备及能量传递方式刻画
        1.3.1 NaReF_4基上转换纳米晶体的制备
        1.3.2 稀土掺杂上转换纳米体系的能量通量刻画
    1.4 稀土掺杂上转换纳米晶体的应用
        1.4.1 在太阳能电池光谱转换中的应用与限制
        1.4.2 在生物标记及光遗传的研究
        1.4.3 在传感检测中的应用及要求
        1.4.4 在超分辨显微成像中的应用
        1.4.5 在微纳激光器中的应用
    1.5 本文的主要研究内容
第2章 实验材料与研究方法
    2.1 实验原料与试剂
    2.2 实验仪器与设备
    2.3 实验方法与技术
        2.3.1 稀土掺杂β-NaYF_4及其核壳结构上转换纳米晶体的合成方法
        2.3.2 稀土掺杂 α-NaYbF_4及其多层核壳结构上转换纳米晶体的合成方法
        2.3.3 稀土掺杂上转换纳米晶体的表面修饰
        2.3.4 染料敏化太阳能电池的制备方法
    2.4 材料测试与表征
        2.4.1 透射电子显微镜测试
        2.4.2 扫描电子显微镜测试
        2.4.3 X-射线粉末衍射谱测试
        2.4.4 上转换荧光光谱测试
        2.4.5 太阳能电池光电性能测试
        2.4.6 低温温度传感测试系统
        2.4.7 激光共聚焦显微镜测试
第3章 高效级联敏化Er~(3+)上转换体系的优化与应用
    3.1 引言
    3.2 级联敏化上转换体系的优化
        3.2.1 近红外染料与稀土离子的匹配性筛选
        3.2.2 上转换纳米晶体核壳结构的设计和优化
        3.2.3 有机染料级联敏化体系构筑及优化
    3.3 级联敏化上转换体系在染料敏化太阳能电池中的应用
        3.3.1 上转换增强层的构筑和优化
        3.3.2 太阳能电池性能的表征与机理分析
    3.4 本章小结
第4章 宽带吸收Er~(3+)自敏化上转换纳米晶体的优化与设计
    4.1 引言
    4.2 NaYF_4:x%Er~(3+)上转换体系掺杂浓度的优化
        4.2.1 NaYF_4:x%Er~(3+)上转换纳米颗粒的制备与表征
        4.2.2 Er~(3+)离子敏化上转换体系浓度猝灭的原因分析
    4.3 NaYF_4:x%Er~(3+)@NaYF_4 核壳结构的合成与浓度猝灭的抑制
        4.3.1 不同壳层厚度NaYF_4:x%Er~(3+)@NaYF_4 核壳结构的制备
        4.3.2 惰性壳层对Er~(3+)浓度猝灭的抑制
    4.4 不同长径比核壳纳米结构的合成与其发射光谱偏振特性
        4.4.1 不同长径比核壳纳米结构上转换晶体单颗粒性能表征
        4.4.2 不同长径比上转换颗粒偏振特性表征
    4.5 本章小结
第5章 高效激发态能量限制Er~(3+)敏化上转换体系的设计与应用
    5.1 引言
    5.2 NaErF_4:Ln~(3+)@NaYF_4 陷阱能级中心的优化设计
        5.2.1 Yb~(3+)陷阱能级的优化
        5.2.2 Tm~(3+)陷阱能级的优化
        5.2.3 Eu~(3+)及其它陷阱能级的优化
    5.3 激发态能量限制的机理研究
        5.3.1 几种激发态能量限制体系对比
        5.3.2 激发态能量限制体系机制分析
        5.3.3 激发态能量限制体系理论推广
    5.4 激发态能量限制上转换体系的细胞成像应用
        5.4.1 激发态能量限制体系的单颗粒表征及表面修饰
        5.4.2 激发态能量限制体系对线粒体的成像
    5.5 本章小结
第6章 基于Er~(3+)的多层核壳结构超低温度纳米探针的设计构筑与应用探索
    6.1 引言
    6.2 Er~(3+)热耦合能级在低温温度传感中的应用
        6.2.1 Er~(3+)温度纳米探针的性能
        6.2.2 Er~(3+)在超低温度区间温度传感的限制
    6.3 Tm~(3+)热耦合能级在低温区间的应用潜力
    6.4 双模态超低温度传感纳米探针的构筑与应用
        6.4.1 NaYbF_4:Tm~(3+)@CaF_2@NaYF_4:Yb~(3+)/Er~(3+)@CaF_2 双模态纳米探针的构筑及表征
        6.4.2 NaYbF_4:Tm~(3+)@CaF_2@NaYF_4:Yb~(3+)/Er~(3+)@CaF_2 双模态纳米探针的温度传感应用
        6.4.3 NaYbF_4:Tm~(3+)@CaF_2@NaYF_4:Yb~(3+)/Er~(3+)@CaF_2 双模态纳米探针的温度传感的性能分析
    6.5 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
个人简历


【参考文献】：
期刊论文
[1]细胞激光器研究进展及应用综述[J]. 杜梦聪,刘倩倩,Marion Lang,王秀翃,王璞.  激光与光电子学进展. 2018(12)
[2]有机微纳激光研究进展[J]. 赵金阳,闫永丽,赵永生,姚建年.  中国科学:化学. 2018(02)



本文编号：3461190