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百科:稀土上转换发光纳米材料

上转换发光材料是一种新型材料,可将近红外光转换为短波可见光,具有优异的光学性能和稳定的化学性质,在生物医药、太阳能电池及照明领域等被广泛欧洲盘。稀土上转换发光纳米材料(UCNPs)不仅具有稀土离子的独特能级结构,更以其它荧光材料无法比拟的高灵敏度、强组织穿透力、无自发荧光和不损伤生物组织等特性,被人们争相广泛开发研究,并取得了一系列显著的成就。


上转换发光材料通常由基质材料、稀土激活剂和敏化剂组成。


稀土上转换纳米发光材料基质的选择


基质材料、敏化剂和激活剂是影响稀土发光材料发光性能的主要因素。发光材料对于基质材料的要求是一般不能受到激发而发光,但能为激活离子提供合适的晶体场,降低无辐射跃迁几率,使其产生光谱发射。一直以来,上转换发光材料研究的重点是寻找既能获得高上转换发光效率,又具有较高稳定性的基质材料。从目前的研究来看,基质材料主要可分为卤化物体系、氧化物体系、氟氧化物体系和硫化物体系4类。


稀土上转换纳米发光材料稀土离子的选择


稀土离子作为掺杂离子在制备上转换发光材料中扮演着极为重要的角色,当前掺杂研究主要集中在Er3+、Tm3+和Ho3+。稀土Yb3+的激发光波长是980nm,吸收截面大,是最为常用且有效的上转换敏化剂。当Yb3+和其他稀土离子共掺杂到基质中,激发Yb3+离子,能量传递引起光子叠加效应使得上转换发光效率大大提高。


制备方法


1、燃烧合成法


燃烧合成是利用化学反应自身的放热来制备材料的方法。原料为稀土硝酸盐(如Y(NO3)3)和有机燃料(如氨基酸、甘胺酸等)。在一个燃烧合成反应中,反应物达到放热反应的点火温度时,点燃后,反应由放出的热量维持,燃烧产物即为所需材料。燃烧合成法具有反应时间短、产物纯度高、设备简单、成本低廉、可以用来制备亚稳相物质等优点。用燃烧法合成的纳米上转换发光材料主要有:Y2O3:Er3+;Y2O3:Er3+,Yb3+;Gd3Ga5O12:Tm3+,Yb3+;Gd3Ga5O12:Er3+等氧化物和复合氧化物材料。


2、溶胶-凝胶法


溶胶-凝胶法是以金属醇盐或其他金属无机盐作为前驱体,溶于溶剂中形成均匀的溶液,再加入各种添加剂如络合剂、催化剂等,在适合的温度和pH值条件下,溶液中的溶质发生水解、聚合等化学反应,首先生成溶胶,进而生成具有一定空间结构的凝胶,然后经过热处理,在较低温度下制备出各种无机材料或复合材料的方法。溶胶-凝胶法具有:容易达到分子水平均匀,便于控制掺杂量,热处理温度低、设备简单、价格低廉等优点。用溶胶-凝胶法合成的纳米上转换发光材料有:Gd2O3:Er3+;Gd2O3:Er3+,Yb3+;Gd2O3:Tm3+,Yb3+;TiO2:Er3+;BaTiO3:Er3+等材料。


3、共沉淀法


共沉淀法在含有2种或2种以上金属离子的多元体系溶液中加入沉淀剂,得到各种成分均一沉淀的方法。得到的沉淀物经分离沉降,然后经过干燥,再在不同的温度下灼烧便得到纳米发光材料。共沉淀法具有反应温度低、样品纯度高、粒径小、分散性很好、操作简便、无须复杂设备、成本低廉、并可以大批量制备等优点。用共沉淀法合成的纳米上转换发光材料主要有:Y2O3:Er3+,Yb3+;Y2O3:Er3+;YAG:Er3+;Lu2O3:Ho3+,Yb3+等材料。


4、水热法


水热法是在特制的密闭容器内完成的。一般是在100~350℃和高压环境下使无机或有机化合物与水化合,通过对加速渗析反应和物理过程的控制得到改进的无机物,再过滤、洗涤、干燥,从而得到高纯度的纳米粒子。水热法具有能耗低、实用性广、环境污染少、可有效控制反应和晶体的生长特性等优点,用水热法合成的纳米上转换发光材料主要有:NaYF4:Er3+;LaF3:Er3+;Y2O3:Er3+;YVO4:Er3+等材料。


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