近红外激励上转换材料光谱及荧光增强机理的研究

【摘要】：由于稀土离子具有优异的上转换荧光性质，稀土离子掺杂的氟化物纳米晶体是当前的研究热点，其在上转换激光器、生物成像、光动力理疗、三维立体显示、太阳能电池等诸多领域具有美好的应用前景，而目前如何提高上转换荧光效率、增强荧光强度是制约其发展及应用的主要问题。本课题首次以NaYF_4：Nd~(3+)、CaF_2：Nd~(3+)、CaF_2：Nd~(3+)@CaF_2纳米晶体为研究对象，研究了近红外激光激励下的上转换荧光光谱及其增强物理机制。 首先，本课题首次制备了掺杂浓度为0.5%~5%的NaYF_4：Nd~(3+)、CaF_2：Nd~(3+)、CaF_2：Nd~(3+)@CaF_2纳米晶体并进行了表征；搭建了近红外激励Nd~(3+)离子上转换荧光光谱实验系统，获得了Nd~(3+)离子上转换荧光线状光谱，覆盖紫外到近红外波段。本课题首次发现了242nm，562nm和726nm上转换荧光，具有重要的应用价值。相比于NaYF_4基质，CaF_2中的上转换荧光提高了~1倍，CaF_2@CaF_2提高了~2倍，进而本课题分析了上转换荧光增强机制。 然后，对Nd~(3+)离子上转换荧光光谱及其物理机制进行理论研究。通过计算荧光强度和激光泵浦功率的关系得出，Nd~(3+)离子可见和近红外波段的荧光是双光子过程，而紫外波段的荧光是三光子过程；研究了Nd~(3+)离子的能级结构，进而探究了其上转换能量跃迁过程；通过求解Nd~(3+)离子上转换稳态方程和能量传递速率方程，得出近红外上转换荧光强度与激励源功率成二次方的关系，属于双光子过程，说明上转换过程以能量传递上转换机制为主，并且能量传递上转换荧光衰减曲线满足一阶指数衰减规律。 最后，搭建了近红外激励Nd~(3+)离子上转换荧光时间分辨光谱实验系统，测量了Nd~(3+)离子上转换荧光衰减曲线和荧光寿命。Nd~(3+)离子上转换荧光寿命约为200μs~500μs，荧光衰减曲线表现为指数规律的衰变，证明了能量传递上转换机制的主导作用；并且利用共振无辐射能量传递理论解释了上转换荧光寿命越长其强度反而越小的现象。 本课题的研究工作为稀土离子掺杂上转换材料的进一步研究和实际应用奠定了实验和理论基础。