华南理工周博教授团队AFM：动力学调控上转换正交发光新策略

【引言】

光子上转换是一种将低能量的光子转换成高能量光子的发光现象，在生物成像与诊疗、光遗传、超分辨成像、激光、传感等领域具有重要应用。稀土离子具有丰富的分立能级结构，是一类理想的上转换发光中心。近期研究表明，在一些稀土掺杂的特殊纳米核壳结构可以产生正交发光，即在不同波长激发源辐照下产生不同的光色输出。这一现象与传统发光材料不同，极大地促进了上转换发光在3D立体显示、信息存储、生物识别与诊疗等前沿领域的应用。然而，现有正交发光要求复杂的的多层核壳纳米结构设计，其中包含多个不同功能的纳米层，对于实验合成提出非常苛刻的要求。如何在简单的纳米结构中实现正交发光以及光色智能调控依然是一个挑战。

【成果简介】

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可在普通核壳结构中实现上转换正交发光的新型发光机理。通过在Er基质上外延生长NaYbF₄亚晶格层调控Er³⁺的上能级跃迁过程，实现了红光/绿光上转换正交发射，即在980 nm波长激发下呈现红光，而在808 nm（或1530 nm）呈现绿光。研究表明，壳层厚度及迁移离子浓度是影响正交发光的关键因素。进一步研究发现，本发光模型的上转换动力学过程表现出时域特征，通过调控980 nm 激发光的脉宽也观测到红光到绿光的发光颜色转变。本研究提供了一个简洁的核壳结构正交发光模型，在信息安全与多重防伪等前沿应用领域展现出巨大的应用潜力。该研究成果以“Dynamic control of orthogonal upconversion in migratory core-shell nanostructure toward information security”为题发表在Adv. Funct. Mater.上，并被遴选为Frontispiece Paper。

【图文导读】

图1：基于能量迁移核壳结构正交发光原理

a) Er³⁺-Yb³⁺相互作用及上能级跃迁示意图；

b) 不同激发波长的正交发射示意图。

图2：样品表征及光谱结果

a-b) 样品形貌表征；

c) 壳层中不同迁移离子浓度对应的发光光谱；

d) 核中不同Yb³⁺离子浓度对应的绿/红比以及绿光发射强度；

e) 核壳纳米结构的正交发射光谱及对应的发光照片。

图3：能量迁移研究

a) 不同壳层厚度的核壳纳米结构在808 nm激发下的光谱；

b) 不同壳层厚度下绿光发射强度以及绿光/红光比的变化关系；

c) Yb亚晶格能量迁移研究及其厚度依赖关系；

d) 808 nm激发下Er³⁺的⁴F_9/2能级寿命。

图4：非稳态激发上转换正交发光

a,b) 不同脉宽激发下上转换光谱及对应的色坐标与发光照片；

c,d) 不同样品红光和绿光发射对应的瞬态光谱以及对比；

e) 非稳态正交发射可能的机理示意图。

图5：信息安全与防伪应用

(a,b) 稳态与(c)非稳态激发下的信息安全应用。

【结论与展望】

本研究成功构建了一种新型的的核壳结构上转换正交发光模型，并实现了稳态和非稳态激发的光色可调输出，在信息安全与多尺度防伪等领域展现出巨大应用潜力。本研究也促进了稀土发光机理研究，为研发新型高效的发光材料提供了新思路。

论文的通讯作者为华南理工大学周博教授，第一作者为博士生黄今殊。该项研究工作得到了国家自然科学基金等科研项目的资助。

【文献链接】

Huang, L. Yan, S. Liu, N. Song, Q. Y. Zhang, and B. Zhou*, Adv. Funct. Mater., 31(14), 2009796 (2021).

https://doi.org/10.1002/adfm.202009796

【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领域的应用基础研究，近年来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、光子玻璃与光纤器件等方向取得系列创新性成果，迄今以第一或通讯作者在 Nat. Photon. Nat. Nanotech.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等著名期刊发表SCI收录论文30余篇，在国内外学术会议做主题/邀请报告20余次，主持国家自然科学基金等项目。

【招聘信息】

课题组2021年度在稀土发光相关方向招聘博士后，在稀土发光机理、纳米材料合成、生物/光电应用、激光等方向有经验者优先考虑，同时欢迎有志青年报考博士/硕士研究生。

详情请联系周老师：
zhoubo@scut.edu.cn；

http://www.skllmd.com/zhoubo。

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