表面缺陷的直接識別及其對上轉(zhuǎn)換納米粒子光學(xué)特性的影響

【引言】

由于具有核殼結(jié)構(gòu)的上轉(zhuǎn)換納米粒子（UCNPs）可以顯著增強(qiáng)光致發(fā)光效率，所以其在光學(xué)成像引導(dǎo)生物成像、治療學(xué)、防偽和太陽能電池方面有很好的應(yīng)用前景。一般都是外殼涂層消除了淬滅點，并從周圍的去活化劑（配體、溶劑）中分離出核，從而有效抑制表面相關(guān)的去活化。研究證明，摻雜離子的表面捕獲可以抑制激發(fā)能量的淬滅，可以通過核殼結(jié)構(gòu)來抑制。

【成果簡介】

近日，中國昆明理工大學(xué)的邱建備教授和香港理工大學(xué)的 Yu Siu Fung教授（共同通訊作者）采用了濕化學(xué)退火工藝，從表面缺陷（即無序、空位和間隙缺陷）中恢復(fù)鑭系摻雜的KLu2F7裸露核心的UCNPs。制備出的UCNPs只有幾個原子層的均勻厚度，利用像差校正的高角環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF － STEM）在原子尺度上識別表面缺陷。通過熱退火方法恢復(fù)UCNPs表面缺陷，提高了一個數(shù)量級以上的相應(yīng)的上轉(zhuǎn)換光致發(fā)光強(qiáng)度， 使其有很好的潛在應(yīng)用前景。

【圖文導(dǎo)讀】

圖一、UCNPs的制備及TEM表征

（a）KLu2F7 38％Yb3＋， 2％Er3＋ UCNPs的濕化學(xué)退火工藝原理圖；

（b）合成UCNPs的TEM圖；

（c）240 oC熱退火合成UCNPs；

（d）（b）中的HRTEM圖；

（e）FFT輪廓；

（f）隨著增長的UCNPs尺寸分布圖；

（g）（c）中的HRTEM圖；

（h）FFT輪廓；

（i）后增長的退火UCNPs尺寸分布圖。

圖二、UCNPs的SEM表征

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

（b）240 oC熱退火處理后KLu2F7 38％Yb3＋， 2％Er3＋ UCNPs的HAADF－STEM圖；

（c）（a）中的沿橙色向掃描記錄的強(qiáng)度剖面；

（d）（b）中的沿綠色向掃描記錄的強(qiáng)度剖面；

（e）（a）中的放大的晶體邊緣結(jié)構(gòu)圖像；

（f）（b）中的放大的晶體邊緣結(jié)構(gòu)圖像。

圖三、UCNPs的轉(zhuǎn)換衰減和能量傳輸機(jī)理

（a） KLu2F7 38％Yb3＋， 2％Er3＋ UCNPs的上轉(zhuǎn)換光致發(fā)光光譜；

（b） UCNPs中4S3／2 － 4I15／2在543 nm轉(zhuǎn)換衰減曲線圖；

（c）UCNPs中4F9／2 － 4I15／2在668 nm轉(zhuǎn)換衰減曲線圖；

（d）UCNPs中2F5／2 － 2F7／2在980 nm轉(zhuǎn)換衰減曲線圖；

（e）980 nm連續(xù)波長（CW）激光激發(fā)下UCNPs的簡化能量傳輸圖。

圖四、UCNPs的能量傳遞和發(fā)射光譜

（a） KLu2F7 38％Yb3＋， 2％Er3＋ UCNPs在980 nm短脈沖和長脈沖激發(fā)下的能量傳遞過程；

（b） 熱退火前， KLu2F7 38％Yb3＋， 2％Er3＋ UCNPs的上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜；

（c） 熱退火后， KLu2F7 38％Yb3＋， 2％Er3＋ UCNPs的上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜。

圖五、UCNPs的微腔激光變化

（a） KLu2F7 38％Yb3＋， 2％Er3＋ UCNPs在室溫下獲得980 nm激光激發(fā)下的微腔激光光譜；

（b） 輸出功率和發(fā)射線寬與激發(fā)功率圖；

（c） Pth 、△λ 和1／ D基于微腔激光的綠色發(fā)射測量值。

【小結(jié)】

研究采用了HAADF－STEM直接觀察了薄的均勻厚度的KLu2F7 38％Yb3＋， 2％Er3＋ UCNPs的聚集結(jié)構(gòu)。利用濕化學(xué)反應(yīng)方法和結(jié)構(gòu)中鑭離子的排列，在Lu3＋的結(jié)晶位點上找到的活化劑在沒有帶來不需要的缺陷情況下得到了明顯的證明。制備的KLu2F7 38％Yb3＋， 2％Er3＋ UCNPs在980 nm連續(xù)波激光激發(fā)下，提高了一個數(shù)量級以上的上轉(zhuǎn)換光致發(fā)光強(qiáng)度的變化。表面熱退火工藝，在制備UCNPs時，克服其表面缺陷是一種可行的方法。