基于稀土上转换发光的单粒子多色材料的设计合成及其颜色调制

发布时间：2018-02-15 12:43

  本文关键词： 稀土 上转换 单粒子 多色发光 颜色调制　出处：《中国科学技术大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：稀土掺杂的上转换发光材料是一种可以把长波长、低能量的近红外光转化为短波长、高能量的紫外或可见光的无机晶体材料。由于稀土离子种类繁多且具有非常丰富的阶梯状4f能级,这不仅使上转换多光子的激发过程成为现实,更使材料的发射谱线覆盖了整个可见光区,为宽范围的颜色调控提供了无限可能。与传统的荧光染料和量子点相比,因其采用近红外光激发,穿透能力强,可避免背景荧光的干扰。此外,上转换发光还具有谱带窄、寿命长、光稳定性高等特点,已经被广泛应用于显示成像、生物标记、医学诊断、光动力治疗等领域。在本博士论文中,我们以在单一纳米粒子上集成具有多种颜色发射的上转换离子为核心思想,尝试了几种常见的上转换材料体系,以获得红-绿-蓝三原色的输出;利用核-壳结构策略,将不同的发光中心整合到单个纳米粒子上,构筑出具有多色发射的单一纳米粒子;研究了激发波长和激发能量对粒子发射颜色的影响,实现了对发光颜色的可控调制;以单粒子的颜色变化为导向,初步揭示了其在多色显示和生物标记领域中的应用。本论文的主要研究内容如下:1.我们首先选取了三种经典的上转换发射材料基质体系,包括磷酸盐、氧化物和氟化物。尝试了各种基质最适宜的合成方法,并通过多种表征手段考察了合成方法对产品形貌、结构及发光性能的影响。探讨了通过Er~(3+)、Tm~(3+)、Ho~(3+)等稀土离子掺杂实现红-绿-蓝三原色的单色输出,为下一步实现单个粒子上的光谱组合打下坚实的基础。2.利用逐层热注射法将具有上转换发光效应的Tm或Er元素和下转换红色发光效应的Eu元素整合到以氟化物NaGdF_4为基质的单个纳米粒子上,实现了双波长调制的双色发射。首先,核内掺杂有Yb元素和Tm或Er元素,在980 nm近红外光激发下,粒子表现出Er的绿色特征发射或Tm的蓝色特征发射;壳层中掺杂有Eu元素,在254 nm紫外光激发下,粒子表现出Eu的红色特征发射。同时,为了防止两种发光单元之间的相互作用导致的发光猝灭,采用了 NaYF4钝化层将两种发光单元隔绝开来,提高了发光效率。3.采用层层外延生长技术和红、绿、蓝三基色的组合策略,将具有不同颜色发射的Er、Tm与Eu三种稀土离子整合到单个粒子上,成功构筑了单粒子上转换白光材料。通过高分辨透射电镜、XRD粉末衍射等手段证明了合成的白光单粒子具有三层结构,元素的分布与比例符合预先的设计。进行了一系列的对比实验,表明这种三层结构对三色输出具有决定作用。以颜色叠加原理为出发点,优化了三种稀土元素的掺杂比例,使三色比例复合成明亮的白光。4.由于我们合成的单粒子白光材料采用了三种稀土离子的光谱叠加策略,不同的发光单元具有不同的上转换路径,因而其输出颜色会随激发光的功率密度产生明显变化。我们发现,当激发光的功率密度从3 W cm~(-2)提高到30 W cm~(-2)时,单粒子发光表现出由绿色向青色、白色再到红色的连续演变。这种改变激发功率密度的方法为调制单粒子的发光颜色提供了一种新的手段。随后,我们成功地将这种颜色调制的单粒子应用到平板显示和生物标记之中。
[Abstract]:This paper deals with the application of rare earth ions in the fields of imaging , biological marking , medical diagnosis , photodynamic therapy and so on . It has been widely used in the fields of display imaging , biological marking , medical diagnosis and photodynamic therapy . In order to prevent the luminescence quenching caused by the interaction between the two kinds of light - emitting units , two kinds of light - emitting units are isolated by NaYF4 passivation layer , and the light - emitting efficiency is improved . By means of high - resolution transmission electron microscope and XRD powder diffraction , the three kinds of rare earth ions with different colors are integrated into individual particles .

【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ422

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 韩娇;满石清;;铥镱共掺镓酸盐玻璃上转换发光性能[J];陕西科技大学学报(自然科学版);2011年03期

2 祝林锋;林健;孙真荣;李玉琼;李东卫;;掺铒TeO_2-Nb_2O_5-ZnO系统玻璃的上转换发光性能[J];功能材料;2008年10期

3 臧竞存,刘燕行,方方;钨酸钕单晶光谱及其上转换发光[J];中国稀土学报;2001年01期

4 李晓文,陈晓波,孙寅官;低浓度掺饵五磷酸盐非晶的上转换发光[J];北京师范大学学报(自然科学版);1997年02期

5 唐基冬;雷春华;王习婷;李承志;张友玉;;氧化钇(铒,镱)的合成及上转换发光[J];光谱实验室;2013年05期

6 马冬云;吕树臣;易玉峰;王莹;;铒镱共掺多金属氧酸盐合成及上转换发光研究[J];北京石油化工学院学报;2008年02期

7 范叶霞;夏霏霏;俞泽民;候俊;田崇军;;镱浓度对钬镱双掺二氧化钛上转换发光的影响[J];光子学报;2011年03期

8 刘晃清,秦冠仕,林海燕,秦伟平,张继森,赵丹,吴长锋,任新光,吕少哲;二氧化锆纳米材料中三价铒离子的上转换发光[J];中国稀土学报;2002年S1期

9 刘恩周;樊君;胡晓云;侯文倩;;基于上转换发光的可见/近红外光催化研究现状及展望[J];化工进展;2011年12期

10 高渊;曹天野;李富友;;具有协同表面配体的水溶性稀土上转换发光纳米材料用于活体淋巴结显像[J];无机化学学报;2012年10期

相关会议论文 前10条

1 徐莉;关彩虹;于孟斌;金亮;陈高云;;上转换发光技术在生化快速检测中的应用研究[A];公共安全中的化学问题研究进展（第二卷）[C];2011年

2 陈大钦;王元生;余运龙;刘锋;黄萍;;钕掺杂的纳米结构玻璃陶瓷的红外激发紫外上转换发光[A];第11届全国发光学学术会议论文摘要集[C];2007年

3 冷雪松;徐玉恒;;三掺Nd:Yb:Ho:LiNbO_3中的能量上转焕发光[A];第十六届全国晶体生长与材料学术会议论文集-03激光和非线性光学晶体[C];2012年

4 刘熠;刘倩;冯玮;李富友;;上转换发光生物成像技术及应用研究[A];第八届全国化学生物学学术会议论文摘要集[C];2013年

5 邹先梅;刘熠;朱幸俊;姚立明;冯玮;李富友;;808nm激发的上转换发光纳米复合探针用于次氯酸的检测[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第33分会：纳米材料合成与组装[C];2014年

6 赵谡玲;侯延冰;徐叙tb;;不同基质材料中铒离子的上转换发光特性[A];第九届全国发光学术会议摘要集[C];2001年

7 潘秀红;;悬浮技术制备稀土掺杂钛酸盐玻璃及其上转换发光性能[A];中国空间科学学会空间材料专业委员会2011学术交流会论文集[C];2011年

8 高伟;李娇;涂银勋;高当丽;田宇;郑海荣;;水热合成六方相NaYbF4:Pr3+晶体上转换发光特性研究[A];2011西部光子学学术会议论文摘要集[C];2011年

9 朱幸俊;李富友;;多功能稀土上转换发光纳米复合结构用于小动物多模式成像[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第05分会：无机化学[C];2014年

10 董浩;王也夫;李洋;张超;孙聆东;严纯华;;稀土离子上转换发光的调控及其光敏应用[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第06分会：稀土材料化学及应用[C];2014年

相关博士学位论文 前10条

1 宋恩海;Yb~(3+)/Mn~(2+)共掺杂钙钛矿氟化物ABF_3可调宽带上转换发光研究[D];华南理工大学;2015年

2 巩思宇;单晶钛酸铅纳米纤维的稀土掺杂、复合及其光学性能研究[D];浙江大学;2016年

3 商晓颖;飞秒光与连续光激发的掺Er~(3+)纳米材料上转换机制与操控[D];华东师范大学;2016年

4 崔越;稀土掺杂上转换发光纳米材料NaREF_4制备、优化及应用的研究[D];北京交通大学;2016年

5 丁莎;Mn~(2+)掺杂钙钛矿三氟化物结构调控及其发光性能研究[D];华南理工大学;2016年

6 宗玲博;钇氧化物基质材料的微结构调控及其对发光性能的增强效应研究[D];北京科技大学;2017年

7 张馨丹;新型无机、金属有机骨架结构稀土发光材料的制备及其性能研究[D];中国科学院长春光学精密机械与物理研究所;2017年

8 张洪新;掺Tm~(3+)纳米颗粒的上转换发光特性与机制[D];华东师范大学;2017年

9 吐尔逊·艾迪力比克;3-Yb~(3+)团簇合作敏化Cu~(2+)、Pb~(2+)上转换发光及团簇结构性破坏荧光猝灭研究[D];吉林大学;2017年

10 刘晓辉;基于合作跃迁的近红外光催化和Sm~(2+)、Eu~(3+)上转换发光的研究[D];吉林大学;2017年

相关硕士学位论文 前10条

1 廖佳燕;光子晶体及金属银纳米颗粒增强稀土掺杂NaYF_4纳米颗粒上转换发光性质研究[D];昆明理工大学;2015年

2 刘雪娥;稀土掺杂氟化物纳米晶的合成及发光性能研究[D];昆明理工大学;2015年

3 赵红伟;含氧酸盐基质光转换荧光粉的发光性能研究[D];大连交通大学;2015年

4 翟梓会;试验优化设计稀土离子掺杂钼酸盐荧光粉发光性质的研究[D];大连海事大学;2015年

5 关莹;镱离子Yb~(3+)掺杂钒/钼酸盐的合成和发光性能研究[D];苏州大学;2015年

6 王欣;稀土上转换发光纳米材料用于近红外光激发的光动力治疗联合肿瘤基因治疗的研究[D];苏州大学;2015年

7 陶冶;销镱铥掺杂12CaO·7Al_2O_3的制备及上转换发光性能研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

8 廖艳平;铒镱锂掺杂AZO陶瓷的制备及发光性能研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

9 潘云星;稀土掺杂Ba_(0.8)Sr_(0.2)TiO_3陶瓷的制备及其上转换发光性能的研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

10 徐艳玲;稀土离子（Yb~(3+),Tm~(3+),Er~(3+)）共掺杂YAG单晶光纤上转换发光特性研究[D];浙江大学;2015年

，

本文编号：1513292