上轉換材料研究

—如海光電來助力

一、研究背景

上轉換發光指材料吸收長波長的低能光而發射短波長的高能光的現象，被稱為反-斯托克斯發光。機理是發光中心吸收兩個或者多個長波長光子，后經過無輻射弛豫到達激發態，隨后再從激發態躍遷至基態的過程中，釋放出短波長的光子。上轉換發光過程可按機制分為五種：①激發態吸收（ESA）；②能量傳遞上轉換（ETU）；③合作上轉換（CU）；④能量遷移上轉換（EMU）；⑤光子雪崩（PA）。圖1表示五種上轉換發光機制的實現過程。

圖1 五種上轉換發光機制

光子上轉換是一種重要的非線性反斯托克斯發光現象，在太陽能電池、生物醫學成像、信息安全、溫度傳感器等領域具有廣闊的應用前景。稀土離子是一類理想的上轉換發光中心，可以實現發射波長精細可調、覆蓋近紅外-可見光-近紫外的上轉換發光。

二、上轉換材料研究內容

以太陽能電池應用為例，上轉換材料可以將紅外光轉換成能量更高的紫外光和可見光，進而可以被半導體吸收，是拓展利用紅外光進行光催化的一種重要的手段。將上轉換材料與半導體材料復合是制備高效近紅外光催化材料簡單、有效的方法之一。上轉換材料熒光發射光譜是其性能的重要表征手段。在980 nm半導體激光器的激發下，Yb³⁺-Er³⁺共摻雜的上轉換發光材料可以在525、550 nm處發射綠色光，其發射峰對應于²H_11/2/⁴S_3/2→⁴I_15/2躍遷，其發射的紅色上轉換發光在660 nm處，對應于^４F_9/2→⁴I_15/2躍遷，如圖2所示。

圖2 Yb³⁺-Er³⁺/Yb³⁺-Tm³⁺共摻上轉換材料在980 nm激發下的發光譜

吳佳玲研究油酸酒精和檸檬酸鈉輔助下水熱合成的NaYF₄: Yb³⁺/Tm³⁺的不同，在980 nm激發下測得的NaYF₄: Yb³⁺/Tm³⁺的上轉換發射光譜如圖3所示。由圖可知，NaYF₄: Yb³⁺/Tm³⁺上轉換發光強度，檸檬酸鈉法輔助制備的大于油酸酒精法輔助制備的；發光強度隨著Yb離子濃度的增大而增大。并且在其他條件相同的情況下，尺寸大的微晶體其熒光強度相對越大。

圖3 980 nm激發下NaYF₄: Yb³⁺/Tm³⁺的上轉換發射光譜

黃蕊通過測定980 nm激光激發下Er³⁺、Mn⁴⁺單摻雜，Er³⁺/Mn⁴⁺共摻雜NMGT熒光粉在500-800 nm范圍內的上轉換發射光譜，以及600 nm-800 nm范圍內NMGT: 0.01Mn⁴⁺在455 nm激發下的發射光譜，確定了樣品的最佳組成為NMGT: 0.08Er³⁺/0.06Yb³⁺/0.002Mn⁴⁺，如圖4所示。圖4中的插圖(a)進一步給出了在750 nm-900 nm區域內NMGT: Er³⁺和 NMGT：Er³⁺/Mn⁴⁺的上轉換光譜。將980 nm激光器作為激發源，在NMGT: 0.08Er³⁺熒光粉中觀察到兩個位于544 nm和656 nm附近的強發射帶和一個以850 nm為中心的弱發射帶，這分別是由Er³⁺的²H_11/2、⁴S_3/2→⁴I_15/2、⁴F_9/2→⁴I_15/2和⁴S_3/2→²I_13/2躍遷產生的。圖4中的插圖(b)呈現了摻雜不同濃度的Er³⁺時，Mn⁴⁺: 2E→4A2 躍遷對應的發射帶的熒光強度的變化。Mn⁴⁺的發射強度隨Er³⁺含量的提高而增加，達到最大值時x=0.08。當Er³⁺摻雜含量大于0.08時，發射強度由于濃度猝滅而逐漸減小。

圖4 980 nm激發的NMGT: xEr³⁺/zMn⁴⁺（x=0,0.08;z=0,0.01）的上轉換光譜和455 nm激發下的NMGT: 0.01Mn⁴⁺的發射光譜，插圖（a）NMGT: Er³⁺在750 nm-900 nm區域的上轉換光譜（b）Mn⁴⁺的發射強度與Er³⁺濃度的關系

三、LIFS980 激光誘導熒光光譜儀

LIFS980高度集成，輕巧便捷；高穩定性；可以選配線陣、面陣、深制冷光譜儀，輸出功率支持0-500 mW調節，方便科研人員測試上轉換發光材料在不同激發功率時的熒光發射光譜。檢測結果客觀準確，客戶可根據應用需求選擇適合的產品。

      圖5 LIFS 980 nm激光誘導熒光光譜儀

注：以上規格為標準配置，可根據客戶具體需求，提供定制產品。

參考文獻

Dong, Hao; Sun, Ling-Dong; Yan, Chun-Hua (2015). Energy transfer in lanthanide upconversion studies for extended optical applications. Chem. Soc. Rev. 44(6), 1608–1634. doi: 10.1039/C4CS00188E

吳佳玲.稀土離子摻雜的微晶體上轉換發光特性研究[J/OL].激光與光電子學進展:1-14.[2021-11-10]. 

黃蕊. 980 nm激發下稀土離子敏化的Mn⁴⁺的上轉換發光[D].湘潭大學,2020.

• 軟件控制976nm激光器

  檢測儀器在線詢價
• 激光誘導熒光光譜儀LIFS976

  檢測儀器在線詢價
• 光纖光譜儀

  檢測儀器在線詢價