福建物构所实现稀土掺杂KMgF3纳米晶的高阶光子雪崩上转换
日期：
2023-10-16
浏览次数:
18
稀土掺杂光子雪崩上转换纳米晶在超分辨成像、微型激光器、单分子示踪和量子光学等前沿领域具有广阔的应用前景。然而，由于纳米晶表面和内部羟基缺陷等荧光猝灭效应，目前在常温下实现稀土纳米晶的高阶非线性光子雪崩上转换仍然是稀土发光领域的一个重大挑战。近日，中国科学院福建物质结构研究所/闽都创新实验室陈学元团队郑伟研究员等提出一种KHF2热分解合成新方法来抑制纳米晶表面和内部的OH–缺陷，实现了稀土掺杂KMgF3纳米晶的可控制备和高效发光。通过抑制OH–缺陷，并利用Tm3+的异价掺杂加快Tm3+之间的交叉弛豫，可实现KMgF3: Tm3+纳米晶在1064 nm连续半导体激光器激发下Tm3+: 802 nm的27阶光子雪崩上转换（图1）。团队首先通过设计系列对照实验，采用不同氟源制备KMgF3: x%Ln3+纳米晶，证明了KHF2作为氟源不仅可以诱导自发生成KMgF3: x%Ln3+@ KMgF3类核壳结构纳米晶，还可以有效抑制纳米晶内部OH–缺陷的产生，从而避免OH–对稀土发光的猝灭，极大地提高了材料的发光性能（图2）。基于KHF2热分解合成的KMgF3: Yb3+/Er3+和KMgF3: Yb3+/Ho3+纳米晶在980 nm激光激发下可分别产生很强的上转换红光和绿光发射，其上转换发光绝对量子产率分别达到3.8%和1.1%（980 nm@20 W cm-2），是目前已报道的稀土异价掺杂上转换纳米晶最高值。随后，团队通过抑制纳米晶表面和内部的OH–缺陷，并利用Tm3+在KMgF3纳米晶中的异价掺杂形成局部聚集来加快Tm3+之间的交叉弛豫过程，实现了常温下Tm3+的高阶光子雪崩上转换。在1064 nm激发下，Tm3+通过非共振基态吸收（GSA: 3H6 → 3H5）、共振激发态吸收（ESA: 3F4 → 3F2,3）和交叉弛豫过程（CR: 3H4 + 3H6 → 3F4 + 3F4）形成能量循环，使得3H4能级的电子布居数急剧增大，产生Tm3+在802 nm（3H4 → 3H6）的雪崩发射。上转换光谱和功率依赖关系表明，随着纳米晶内部OH–的减少，Tm3+的802 nm发光逐渐增强，且非线性阶数（s）显著增大（图3），表明对纳米晶内部OH–缺陷的抑制可以有效提升稀土离子的光子雪崩上转换。进一步地，团队还研究了Tm3+掺杂浓度对光子雪崩上转换的影响。随着Tm3+掺杂浓度增大，Tm3+之间的交叉弛豫加快，光子雪崩的非线性斜率随之增大，阈值功率降低。当Tm3+的掺杂浓度为5.0 mol%时，非线性阶数达到27阶，阈值功率降低至16.6 kW cm-2，响应（上升沿）时间为281 ms（图4）。由于Tm3+的异价掺杂引起的聚集效应，在KMgF3纳米晶中低浓度的Tm3+（1.0 mol%）掺杂即可实现高阶（s = 23.4）光子雪崩；而在传统的NaYF4纳米晶中，Tm3+的掺杂浓度需要>8.0 mol%才可观测到光子雪崩现象，表明稀土离子异价掺杂的KMgF3体系有望作为比同价掺杂的NaYF4更加高效的光子雪崩基质材料。该研究不仅提出了一种抑制稀土上转换纳米晶内部羟基缺陷的有效方法，还提供了一种通过稀土离子异价掺杂实现高阶非线性光子雪崩上转换的新策略，为新型高效光子雪崩上转换纳米晶的设计合成及其在超分辨成像和单分子示踪等前沿领域的应用开发提供了新思路。相关结果发表在纳米领域旗舰期刊《纳米快报》（Nano Lett. 2023, 23, 8576-8584）。论文的第一作者是中国科学院福建物构所2020级博士研究生张美然，通讯作者是中国科学院福建物构所/闽都创新实验室郑伟研究员、商晓颖副研究员和陈学元研究员。该工作得到科技部国家重点研发计划稀土新材料专项、国家自然科学基金和福建省基金等项目支持。此前，陈学元团队在稀土上转换纳米发光材料的控制合成、光学性能和生物应用方面取得了系列重要研究进展。例如，发展光控合成新方法实现稀土/钙钛矿纳米复合结构的原位限域合成和全光谱上转换发光调控（Nano Today 2021, 39, 101179; Nat. Commun. 2018, 9, 3462）；利用CsLu2F7:Yb/Er基质的重原子效应，实现染料三重态敏化稀土离子的高效上转换发光及胞内次氯酸检测（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202112125）；提出稀土硫氧化物/氟化物的新型异质结构设计实现稀土硫氧化物纳米晶的高效上转换/下转移发光（Aggregate 2023, 4, e387）。文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c02377
Hot News
/
相关推荐
2024
-
11
-
26
点击次数:
1
来源：清华大学出版社学术期刊1、导读本工作通过快速烧结合成8组元高熵稀土钽酸盐(8RE1/8)TaO4，与单组分稀土钽酸盐和8YSZ相比，(8RE1/8)TaO4在1200 ℃时的本征热导率分别降低了30.0%~31.1%和59.2%~67.5%，并且在100至1200 ℃的整个温度范围内都表现出较低的本征热导率。这是声子-声子、晶界、畴界、位错和缺陷散射的结果。此外，(8RE1/8)TaO4的离...
2024
-
11
-
26
点击次数:
1
来源：云南大学近日，云南大学胡万彪团队（现代工学院/材料与能源学院/电镜中心/云南省电磁材料与器件重点实验室）在Nature Communications发表题为“Atomic-level direct imaging for Cu(I) multiple occupations and migration in 2D ferroelectric CuInP2S6”的研究论文。二维范德华铁电材料因...
2024
-
11
-
25
点击次数:
60
来源：广西大学物理科学与工程技术学院Mn2+掺杂CsPbCl3钙钛矿纳米晶（NCs）因其大斯托克斯位移和明亮的橙红光发射，在光电器件领域展现出巨大潜力。然而，低光致发光量子产率（PL QY）和稳定性问题一直制约其应用。近期，我院纳米光子学团队研究通过稀土元素、碱土金属离子共掺杂以及后处理技术，成功提升了Mn2+掺杂CsPbCl3纳米晶的发光性能，为其在高效光电器件中的应用奠定了新基础。通过引入稀土...
2024
-
11
-
25
点击次数:
56
来源：西安交通大学卤化铅钙钛矿量子点（QDs），这一新型半导体材料界的璀璨明星，凭借其卓越的光致发光量子产率（PLQY）、优异的色纯度、宽广的色域调节能力以及出色的溶液加工性，正在薄膜光电器件领域大放异彩。在钙钛矿QDs的研究与应用中，表面配体对于QDs的PLQY、稳定性和载流子传输性能起着至关重要的作用。因此，在开发高性能钙钛矿QDs和制备高效的量子点发光二极管（QLEDs）的过程中，合理地选择...