ACS Nano : 表面缺陷的直接识别及其对上转换纳米粒子光学特性的影响

【引言】

由于具有核壳结构的上转换纳米粒子（UCNPs）可以显著增强光致发光效率，所以其在光学成像引导生物成像、治疗学、防伪和太阳能电池方面有很好的应用前景。一般都是外壳涂层消除了淬灭点，并从周围的去活化剂（配体、溶剂）中分离出核，从而有效抑制表面相关的去活化。研究证明，掺杂离子的表面捕获可以抑制激发能量的淬灭，可以通过核壳结构来抑制。

【成果简介】

近日，中国昆明理工大学的邱建备教授和香港理工大学的 Yu Siu Fung教授（共同通讯作者）采用了湿化学退火工艺，从表面缺陷（即无序、空位和间隙缺陷）中恢复镧系掺杂的KLu2F7裸露核心的UCNPs。制备出的UCNPs只有几个原子层的均匀厚度，利用像差校正的高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF - STEM）在原子尺度上识别表面缺陷。通过热退火方法恢复UCNPs表面缺陷，提高了一个数量级以上的相应的上转换光致发光强度, 使其有很好的潜在应用前景。研究成果以题为 “Direct  Identification  of  Surface  Defects  and their  Influence  on  the  Optical Characteristics of  Upconversion  Nanoparticles” 发布在国际著名期刊 ACS Nano 上。

【图文导读】

图一、UCNPs的制备及TEM表征 

（a）KLu₂F₇: 38%Yb³⁺, 2%Er³⁺ UCNPs的湿化学退火工艺原理图；

（b）合成UCNPs的TEM图；

（c）240 ^oC热退火合成UCNPs；

（d）（b）中的HRTEM图；

（e）FFT轮廓；

（f）随着增长的UCNPs尺寸分布图；

（g）（c）中的HRTEM图；

（h）FFT轮廓；

（i）后增长的退火UCNPs尺寸分布图。

图二、UCNPs的SEM表征 

（a）KLu₂F₇: 38%Yb³⁺, 2%Er³⁺ UCNPs的HAADF-STEM图；

（b）240 ^oC热退火处理后KLu₂F₇: 38%Yb³⁺, 2%Er³⁺ UCNPs的HAADF-STEM图；

（c）（a）中的沿橙色向扫描记录的强度剖面；

（d）（b）中的沿绿色向扫描记录的强度剖面；

（e）（a）中的放大的晶体边缘结构图像；

（f）（b）中的放大的晶体边缘结构图像。

图三、UCNPs的转换衰减和能量传输机理 

（a） KLu₂F₇: 38%Yb³⁺, 2%Er³⁺ UCNPs的上转换光致发光光谱；

（b） UCNPs中⁴S_^3/2  - ⁴I_15/2在543 nm转换衰减曲线图；

（c）UCNPs中⁴F_9/2 - ⁴I_15/2在668 nm转换衰减曲线图;

（d）UCNPs中²F_5/2 - ²F_7/2在980 nm转换衰减曲线图；

（e）980 nm连续波长（CW）激光激发下UCNPs的简化能量传输图。

图四、UCNPs的能量传递和发射光谱 

（a） KLu₂F₇: 38%Yb³⁺, 2%Er³⁺ UCNPs在980 nm短脉冲和长脉冲激发下的能量传递过程；

（b） 热退火前， KLu₂F₇: 38%Yb³⁺, 2%Er³⁺ UCNPs的上转换发射光谱；

（c） 热退火后， KLu₂F₇: 38%Yb³⁺, 2%Er³⁺ UCNPs的上转换发射光谱。

图五、UCNPs的微腔激光变化

 （a） KLu₂F₇: 38%Yb³⁺, 2%Er³⁺ UCNPs在室温下获得980 nm激光激发下的微腔激光光谱；

（b） 输出功率和发射线宽与激发功率图；

（c） P_th 、∆λ 和1/ D基于微腔激光的绿色发射测量值。

【小结】

研究采用了HAADF-STEM直接观察了薄的均匀厚度的KLu₂F₇: 38%Yb³⁺, 2%Er³⁺ UCNPs的聚集结构。利用湿化学反应方法和结构中镧离子的排列，在Lu³⁺的结晶位点上找到的活化剂在没有带来不需要的缺陷情况下得到了明显的证明。制备的KLu₂F₇: 38%Yb³⁺, 2%Er³⁺ UCNPs在980 nm连续波激光激发下，提高了一个数量级以上的上转换光致发光强度的变化。表面热退火工艺，在制备UCNPs时，克服其表面缺陷是一种可行的方法。

文献链接：Direct Identification of Surface Defects and their Influence on the Optical Characteristics of Upconversion Nanoparticles（ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b00741）

本文由材料人生物材料组小胖纸编译，点我加入材料人编辑部。

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