华南理工周博教授团队AM：交叉弛豫介导的上转换光色时空调控

【导读】

稀土掺杂上转换纳米粒子是一种重要的光功能材料，在超分辨成像、光遗传、纳米温度传感、信息安全以及三维显示等领域具有具有重要应用。近期研究表明，交叉弛豫为发光动力学研究提供了新的可能，如光子雪崩上转换。然而，如何实现交叉弛豫介导的上转换光色调控并揭示其中的光物理机制是本领域的一个挑战性课题。

【成果掠影】

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报道了一种基于交叉弛豫介导的上转换光色调控策略。设计了NaYF₄:Gd@NaYbF₄:Tm@NaYF₄三明治纳米核壳结构，通过调制Tm³⁺离子的交叉弛豫过程实现了时空调控的光色可切换发光。调节Tm³⁺离子掺杂浓度可改变离子间据进而调控交叉弛豫，在980 nm稳态激发时得到Tm³⁺的蓝色到红色的发光颜色转变。研究同时发现，交叉弛豫与自发辐射存在竞争，而交叉弛豫在时域上比自发辐射稍慢，采用脉冲激光非稳态激发实现了红-蓝发光颜色切换。本文深入探讨了高掺杂纳米系统中离子相互作用的时域特征和物理机制，特别是定义了“特征猝灭时间”用于定量描述交叉弛豫的时域特征。时空调控光色输出在信息安全、多模式防伪和纳米光子学等领域展现出重大应用潜力。该研究成果以“Cross Relaxation Enables Spatiotemporal Color-Switchable Upconversion in a Single Sandwich Nanoparticle for Information Security”为题发表在Adv. Mater.上。

【图文导读】

图1：交叉弛豫介导的上转换发光调控示意图

a）交叉弛豫(W_CR)和自发辐射(A_r)的竞争；

b）离子之间共振和非共振交叉弛豫；

c）交叉弛豫速率(W_CR)与能量失配的关系(∆E)；

d）NaYF₄:Gd@NaYbF₄:Tm@NaYF₄三明治纳米结构及激发模式调控实现可调发光。

图2：样品表征和发光性能

a）样品表征；

b）不同Tm³⁺浓度掺杂样品的发光光谱；

c,d）发光强度和寿命变化；

e）Tm³⁺离子之间的部分交叉弛豫过程。

图3：稳态激发的光色调控

a,b）不同Tm³⁺浓度掺杂样品980 nm稳态激发的归一化发射光谱及红-蓝比；

c）不同掺杂浓度样品发光对应的CIE坐标值和发光照片；

d）不同Yb³⁺浓度掺杂样品的红-蓝比；

e）不同掺杂浓度时的发光和交叉弛豫示意图。

图4：非稳态激发的光色调控

a,b）不同脉宽980 nm激光激发的归一化发射光谱、对应的CIE坐标以及发光照片；

c）不同发射峰的暂态曲线；

d）不同Tm³⁺掺杂浓度样品450 nm的暂态曲线；

e）不同激发脉宽时450 nm的暂态曲线；

f）不同Tm³⁺掺杂浓度样品695 nm的暂态曲线；

g）不同发光层厚度样品在稳态激发时的红-蓝比和在非稳态激发时的蓝-红比；

h）脉冲调控的可能动力学过程

图5：前沿应用

a) 稳态防伪演示；

b) 脉冲激发的多模式防伪；

c) 时域信息存储。

【成果启示】

本研究通过构建三明治纳米核壳结构和激发模式调控交叉弛豫介导的上转换发光，实现了红-蓝可切换的发光。特别是通过系统研发光的时域特性，得到可定量描述交叉弛豫的“特征衰减时间”，加深了上转换发光的物理机制和动力学特征的理解，对于研发新型智能发光材料和推动相关应用具有重要借鉴意义。

论文的通讯作者为华南理工大学周博教授，第一作者为博士后黄今殊。该项研究工作得到了国家自然科学基金、博士后科学基金和中央高校科研项目等资助。

文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202310524

【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应用基础研究，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、智能发光材料设计与光子器件等方面取得系列创新性成果，迄今以第一作者/通讯作者在 Nat. Photon.、Nat. Nanotech.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.、Chem. Soc. Rev.等著名期刊发表SCI收录论文80余篇，在国内外学术会议做主题/邀请报告30余次，主持国家自然科学基金等多项。

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