稀土无机发光材料：电子结构、光学性能和生物应用
稀土氧化物发光材料
稀土氧化物发光材料
稀土氧化物发光材料（Rare Earth Oxide Luminescent Materials）
是一种独特的材料，在光学、电子学、磁学和生物科学等领域有着广
泛应用。
稀土氧化物发光材料具有良好的光学性能，包括高发光效率、广谱发光、长寿命等特点，因此在照明、显示等领域有着广泛的应用
前景。
稀土元素是指原子序数为57~71的一组元素，它们与氧化物结合形成稀土氧化物。
稀土氧化物发光材料中应用最广泛的是三价稀土离子（RE3+）激发产生的发光，例如，用钕掺杂的氧化钇（Y2O3:Nd3+）可以在近红外波段产生强烈的激光输出。
其他稀土离子如铽、镝、铒、钬等在不同的波段也有强烈的发光表现。
稀土氧化物发光材料的制备方法主要有溶剂热法、水热法、溶胶凝胶法、共沉淀法等多种方法，其中溶胶凝胶法是应用最广泛的一种方法。
这种方法的特点是制备工艺简单，可控性强，所制备的材料具有高纯度、均一性、良好的光学性能等优点。
稀土氧化物发光材料在LED显示器背光源、荧光显示器和LED照明等方面的应用已成为一种趋势。
例如，用铒掺杂的氧化锆（ZrO2:Er3+）在磁共振成像等医学领域有广泛应用，Nd3+掺杂的氧化铝
（Al2O3:Nd3+）被用作电子束激发的荧光材料，用镝掺杂的氧化镥（Lu2O3:Dy3+）也被应用于LED的照明等领域。
总的来说，稀土氧化物发光材料具有广泛的应用前景，未来随着技术的不断进步和发展，其应用范围还会不断拓展。
《稀土发光材料》课件
其他领域
总结词
除了上述领域外，稀土发光材料还广泛应用于其他领域，如生物成像、化学分析、安全 防伪等。
详细描述
在生物成像和化学分析领域，稀土发光材料具有高灵敏度、高分辨率的优点，可以用于 荧光探针、荧光显微镜、荧光光谱仪等仪器中。在安全防伪领域，稀土发光材料具有不 可仿制的特点，可以提高防伪技术和产品的可靠性。此外，稀土发光材料还可以应用于
固相法是一种传统的制备方法，其原理是将所需的原料粉末 混合均匀，经过研磨、压片、烧结等步骤，得到所需的稀土 发光材料。该方法工艺简单，适合大规模生产，但产品纯度 较低，性能可控性较差。
液相法
总结词
通过将原料溶解在溶剂中，经过沉淀、结晶、干燥等步骤，制备出稀土发光材料。
详细描述
液相法是一种常用的制备方法，其原理是将所需的原料溶解在溶剂中，通过控制温度、pH值等条件，使原料发 生沉淀或结晶，再经过洗涤、干燥等步骤，得到所需的稀土发光材料。该方法产品纯度高，性能可控性较好，但 工艺较为复杂，成本较高。
纳米复合材料
将发光材料与其他纳米材料进行复合，实现功能 集成和性能提升。
纳米组装结构
通过自组装或他组装技术，构计
多层堆叠结构
01
将不同功能的材料层叠在一起，形成具有多重功能的复合材料
，实现性能优化。
各层间界面设计
02
优化各层之间的界面结构，减少界面散射和能量损失，提高光
照明光源
总结词
稀土发光材料在照明光源领域的应用主 要包括荧光灯、LED照明等。
VS
详细描述
利用稀土发光材料的特性，可以制造出高 效、环保的照明光源。例如，稀土元素掺 杂的荧光粉可以大大提高荧光灯的发光效 率和稳定性，同时减少对环境的污染。此 外，LED照明也是稀土发光材料的另一重 要应用领域，具有高效、节能、环保等优 点。
稀土材料的种类及其应用领域
稀土材料的种类及其应用领域引言稀土元素是一组特殊的化学元素，总共包含17种元素，分别是钪（Sc）、钇（Y）和镧系元素（La～Lu）。
这些元素具有独特的电子结构和化学性质，因此在各种领域中有着广泛的应用。
本文将介绍一些常见的稀土材料种类以及它们在不同领域的应用。
稀土材料的分类稀土材料通常被分为两类：稀土金属和稀土化合物。
稀土金属稀土金属是指纯稀土元素或合金形式的稀土元素。
这些金属具有良好的导电性和热导性，在光学、磁性、电子等领域中有广泛的应用。
1.氧化物：稀土金属氧化物是一类常见的稀土金属材料。
其中，氧化锌（ZnO）是一种用于光学和电子器件中的半导体材料。
氧化钇（Y2O3）在涂料、陶瓷和玻璃中常用作增白剂和稀土添加剂。
2.合金：稀土金属也常用于合金中，以改善合金的力学性能和抗腐蚀性能。
例如，镍钇合金（Ni-Y）具有优异的高温抗蠕变性能，广泛应用于航空航天和石油化工行业。
稀土化合物稀土化合物是指稀土元素与其他元素形成的化合物。
由于稀土元素的特殊性质，这些化合物在光学、电子、磁性和荧光等领域中具有重要的应用价值。
1.磷酸盐：稀土磷酸盐是一类常见的稀土化合物，其具有良好的光学性质和荧光性能。
比如，镧系元素的磷酸盐常用于荧光粉和荧光显示器中，用于制造高亮度的显示屏。
2.钼酸盐：稀土钼酸盐也是一类重要的稀土化合物。
它们具有优异的光学和电子性能，广泛应用于高效能源器件和光电子器件中。
例如，钆钼酸盐（Gd2(MoO4)3）被研究用于太阳能电池和寿命延长材料。
稀土材料的应用领域稀土材料在许多领域中发挥着重要作用。
下面将介绍它们在一些领域中的应用。
光学领域稀土材料在光学领域中有着广泛的应用。
稀土磷酸盐和稀土玻璃常用于激光器、光纤放大器和显示器件中。
稀土材料的特殊能级结构使其能够在特定波长范围内发射特定颜色的光，因此在光学通信、生物医学和显示技术中具有重要作用。
电子领域稀土材料在电子领域中的应用主要体现在电子器件的制造和性能改善方面。
稀土元素在发光材料中的应用
稀土元素在发光材料中的应用一、引言稀土元素是指地壳中含量较少的一类金属元素，包括镧系、钪系、钫系和铕系元素。
这些元素在自然界中分布稀少，但却在发光材料、催化剂、磁性材料等领域表现出卓越的性能，其中在发光材料中的应用尤为突出。
本文将就稀土元素在发光材料中的应用进行深入探讨。
二、稀土元素的特性稀土元素具有较宽的4f电子能级、较强的光吸收和发射能力，以及丰富的能级结构。
这些特性赋予稀土元素在发光材料中优异的发光性能。
此外，稀土元素的化学性质活泼，易于形成多种化合物，使其在发光材料中具有广泛的应用前景。
三、稀土元素在LED领域的应用随着LED技术的飞速发展，稀土元素在LED领域的应用也变得愈发重要。
例如，铯铷镧钼绿色荧光体可用于制备高亮度的绿光LED，镧钒氧化物则可用于制备红光LED，而氧化铈则可增强LED的稳定性和光电转换效率。
稀土元素的加入不仅拓宽了LED的发光波长范围，还提高了LED的发光效率和稳定性。
四、稀土元素在荧光粉领域的应用稀土元素的发射光谱范围广泛，且可调谐，使其在荧光粉领域具有巨大的应用潜力。
例如，铕离子可发出红光，铽离子可发出蓝光，镨离子可发出绿光，它们的荧光性能优异，可用于制备高亮度的荧光体和荧光标记剂。
此外，稀土元素的发光机制独特，可用于设计和制备具有特定发光特性的荧光粉材料。
五、稀土元素在激光材料领域的应用稀土元素在激光材料领域的应用也备受关注。
例如，钇铝石榴石晶体中掺杂少量铒离子可产生红外激光，铽离子可产生绿光激光，钇钨酸盐晶体中掺杂三价镱离子可产生蓝光激光。
这些激光材料具有较高的光学性能和热学性能，可用于制备稳定、高效的激光器件。
六、稀土元素在发光材料中的未来发展随着科学技术的不断进步，稀土元素在发光材料中的应用前景将更加广阔。
未来，可以通过控制稀土元素的配位环境、晶体结构和掺杂浓度来优化发光材料的性能。
同时，可以开发新型的稀土元素化合物，如钡钙钛矿结构的发光材料、尖晶石结构的发光材料等，以提高发光材料的发光效率和发光稳定性。
稀土材料在光电子器件中的应用
稀土材料在光电子器件中的应用概述光电子器件是利用光与电子的相互作用来实现光信号的探测、处理与转换的器件。
稀土材料是一类具有特殊光学和电学性质的化学元素，由于其独特的能级结构和光学特性，被广泛应用于光电子器件领域。
发光器件中的应用稀土材料在发光器件中的应用主要体现在发光二极管（LED）和激光器中。
其中，稀土材料被用作发光层，通过外加电场或激光器激发稀土材料的能级跃迁，使其发出特定波长的光。
例如，通过在蓝光LED中添加稀土材料，可以实现白光发光，从而提高LED的色彩还原性和亮度。
此外，稀土材料还可用于生物发光探针、显示器件等。
光电探测器中的应用稀土材料在光电探测器中的应用主要体现在光电二极管（Photodiode）和光电倍增管（Photomultiplier Tube）中。
稀土材料在光电二极管中用作探测层，通过光子的吸收产生电子-空穴载流子对，并产生与光信号强度相关的电流。
稀土材料的特殊能带结构和光电特性使其能够实现高灵敏度和快速响应的光电探测。
而在光电倍增管中，稀土材料则被用作增益层，通过电子的多次倍增放大，实现对光信号的高灵敏度探测。
光波导器件中的应用光波导器件是一类用于控制和调制光信号传输的器件。
稀土材料在光波导器件中的应用主要体现在光纤放大器和光调制器中。
光纤放大器利用稀土材料的增益性质，在光纤中实现对光信号的放大。
常用的稀土材料包括掺铒、掺镱等。
光调制器则利用稀土材料的光学非线性特性，通过调节稀土材料的折射率，实现对光信号的调制和控制。
其他应用领域稀土材料在光电子器件中的应用还涉及到其他领域，如光存储器件、光纤通信器件、光子晶体等。
其中，光存储器件利用稀土材料的光学电荷转移特性实现信息的存储和读取。
光纤通信器件则利用稀土材料的增益特性实现远距离的光信号传输。
光子晶体则以稀土材料为基础，通过光子的分布和调制实现对光信号的控制和滤波等。
总结稀土材料在光电子器件中的应用涵盖了发光器件、光电探测器、光波导器件等多个领域。
稀土发光纳米材料的应用
稀土发光纳米材料的应用
稀土发光纳米材料是一种新型的材料，具有很多优异的性能和应用。
它们可以发出不同颜色的光，具有高亮度、高稳定性、高色纯度等特点，因此在许多领域都有广泛的应用。
稀土发光纳米材料在照明领域有着广泛的应用。
它们可以用于制造高亮度、高效率的LED灯，这种灯具有长寿命、低能耗、高亮度等特点，可以替代传统的白炽灯和荧光灯。
此外，稀土发光纳米材料还可以用于制造彩色LED灯，这种灯可以发出不同颜色的光，可以用于舞台灯光、汽车灯光等领域。
稀土发光纳米材料在生物医学领域也有着广泛的应用。
它们可以用于制造荧光探针，用于检测生物分子、细胞等，具有高灵敏度、高分辨率等特点。
此外，稀土发光纳米材料还可以用于制造荧光标记剂，用于追踪生物分子、细胞等，可以用于生物成像、药物研发等领域。
稀土发光纳米材料还可以用于制造光电器件、光学器件等。
它们可以用于制造太阳能电池、光电传感器等，具有高效率、高稳定性等特点。
此外，稀土发光纳米材料还可以用于制造光学滤波器、光学透镜等，可以用于光学通信、光学成像等领域。
稀土发光纳米材料具有广泛的应用前景，可以用于照明、生物医学、光电器件、光学器件等领域。
随着科技的不断发展，相信它们的应
用领域还会不断扩展，为人类带来更多的福利。
稀土发光材料
稀土发光材料
稀土发光材料是一类具有特殊发光性能的材料，由稀土元素与其他材料组成。
稀土元素是指化学元素周期表中镧系元素和锕系元素，它们在化学性质上具有相似的特点，但在发光性能上却各有特色。
稀土发光材料因其独特的光学性能，在荧光显示、激光器、LED照明、生物标记等领域得到了广泛的应用。
首先，稀土发光材料具有丰富的发光颜色。
由于不同的稀土元素在材料中的能级结构不同，因此可以发射出不同波长的光，从紫外光到红外光均可涵盖。
这使得稀土发光材料在显示和照明领域有着广泛的应用前景，可以满足不同场景下的发光需求。
其次，稀土发光材料具有较高的发光效率。
相比于传统的发光材料，稀土发光材料能够通过稀土元素的能级结构设计，使得光子的产生和发射更加高效。
这不仅提高了光源的亮度，还能够降低能源的消耗，有利于节能减排。
此外，稀土发光材料还具有较长的寿命和稳定的发光性能。
稀土元素的稳定性和化学惰性使得稀土发光材料在长时间使用过程中能够保持较好的发光性能，不易受到外界环境的影响。
这使得稀土发光材料在工业和生物医学领域有着广泛的应用前景，能够满足长期稳定发光的需求。
总的来说，稀土发光材料以其丰富的发光颜色、高效的发光效率和稳定的发光性能，成为了现代光电材料领域的热门研究方向。
在未来，随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展，稀土发光材料必将发挥越来越重要的作用，为人类的生活和产业带来更多的便利和可能。
稀土材料在光电子学中的应用
稀土材料在光电子学中的应用光电子学是研究光与电的相互作用关系的学科，是当今科学技术的重要领域之一。
而稀土材料，则是在这一领域中发挥着越来越重要的作用。
稀土元素的独特电子结构和磁性质，使得稀土材料在光电子学中具有独特的光电性能和应用前景。
下面，我们来探究一下稀土材料在光电子学中的应用。
一、稀土材料的光学性能稀土元素是原子序数为57-71的元素，具有5f电子层的电子构型。
稀土元素的电子结构与电子结合力和磁矩有关，这使得稀土材料在光学方面具有很强的吸收和放射性能。
稀土元素的4f-5d跃迁具有很强的红外吸收特性，因此稀土离子被广泛应用于红外窗口和激光材料中；而稀土离子的3d电子可以与5d电子发生相互作用，在紫外光和可见光区域内发生跃迁，从而在这些区域内产生荧光，在光存储、发光材料、LED等方面可以得到广泛应用。
二、稀土材料在发光材料中的应用发光材料是光电子学中的一项核心技术，可以将电能转化为光能，实现所谓的“光电转换”。
稀土材料在发光材料中具有广泛应用，尤其是在发光二极管（LED）中的应用。
LED是一种以半导体为基础的光电器件，其优点是半导体材料易于获得、稳定性好、耐寒、寿命长等。
而稀土材料被广泛应用于LED中的光源中，可实现高亮度、高显色性、高光效等性能，并在显示器、照明灯具等方面得到广泛应用。
三、稀土材料在光存储材料中的应用光存储材料是一种能够通过光或激光记录信息的材料，可以应用于照片、光盘、光标、光检测和激光塑料制品等领域。
稀土材料中的Eu3+、Tb3+等离子体因其发光和荧光特性而被广泛应用于光存储材料中。
这些离子的光致荧光可以用于记录信息，并且以稳定、高密度、高速度和长寿命等优点成为可行的替代技术。
四、稀土材料在激光材料中的应用激光材料有着广泛的应用，包括激光切割、激光打印、激光切割、激光加工、激光治疗和激光导航等行业。
稀土材料具有很好的光学性能，可以用于激光材料中，如Nd:YAG、Nd:YVO4等材料中，以实现高能量、高功率和高重复率等性能。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
现象. 以 Eu3+掺杂立方相和六方相 NaYF4 为例, 证实 了 Eu3+的光谱学位置对称性在立方相 NaYF4 中由结 晶学位置点群 Oh 降低为 Cs ( 或 C2), 而在六方相 NaYF4 中则由结晶学位置点群 C3h 降低为 Cs (图 4), 并进一步通过晶体场能级拟合对此结晶学位置对称 性破缺进行了证实 (表 1)[19]. 更重要的是 , 还指出了 稀土掺杂无序晶体材料体系具有普适的结晶学位置 对称性破缺现象 (图 4), 从而解决了长期困扰该领域 的一个争议 , 为此类发光材料结构分析和性能优化 奠定了理论和实验基础.
图 4 (a) 稀土掺杂六方相/立方相 NaYF4 无序结构晶体的结晶学位置对称性破缺现象示意图; (b) 结晶学位置对称性破缺 诱导 Eu3+在立方相 NaYF4 无序分布格位的非均匀光谱展宽; (c) 在其他无序晶体材料体系(KLaF4 和 KGdF4)发现类似的结 晶学位置对称性破缺现象[19] 表1 Eu3+在-NaYF4 (立方相)和-NaYF4 (六方相)的晶体场参数(cm1)[19]
导体敏化近红外发射(图 2(B))[11]. 在 Nd3+或 Sm3+离子 等掺杂的锐钛矿 TiO2 中亦发现了很强的半导体基质 到稀土离子的能量传递和高效近红外荧光发射 ( 图 2(C))[12]. 进一步地 , 本课题组通过低温高分辨荧光光谱 实验, 对在 TiO2 纳米晶中占据单一格位的 Er3+的局 域电子结构和晶体场能级进行了详细的分析和指认 , 实验确定了处于 C2v 格位的 Er3+在锐钛矿 TiO2 中的全 部晶体场参数 , 并实现了其高效上转换敏化发光 (图 3)[13]. 这些结果对研究其他稀土离子在 TiO2 纳米晶 的局域结构和光学性能方面具有重要的指导意义. 此外, 在稀土掺杂 II~VI 族纳米发光材料体系中, 本课题组 [14] 利用低温高分辨光谱学等实验证据揭示 了 Eu3+离子掺入 ZnO 纳米晶的晶格和形成多光学位 置机理, 以及基质到 Eu3+的能量传递等现象; 利用同 步辐射光源和 EXAFS 分析, 系统地研究了 Eu3+局域 结构和光谱性能的关系 , 揭示了介质填充效应引起 的自发辐射寿命显著拉长的微观机理 , 确定了纳米 晶的体积填充因子为 52%[15]. 在 Nd3+或 Tm 3+掺杂 ZnO 纳米晶 , 成功地探测到处于晶格位置的稀土离 子的近红外(860~1550 nm)锐线发射 [16]. 这些重要发
中国科学: 化学
2014 年
第 44 卷
第2期
出的光谱学位置对称性远低于单晶 X 射线衍射确定的 结晶学位置对称性. 由于稀土离子的发光与所替代的 基质阳离子格位有密切关系, 稀土掺杂无序结构发光 材料的发光强度取决于稀土离子周围的晶体场环境 , 因此, 利用稀土离子如 Eu3+作为灵敏的结构探针研究 其所处格位对称性的破缺机理, 无论是从基础光谱理 论还是实际应用研究的角度, 均具有重要的意义. 本课题组以稀土离子 Eu3+ 为结构探针 , 通过低 温高分辨荧光光谱揭示了在稀土掺杂阳离子无序分 布结构的晶体中普遍存在的结晶学位置对称性破缺
图1
低温高分辨激光光谱测试系统设计图 169
郑伟等: 稀土无机发光材料: 电子结构、光学性能和生物应用
图 2 稀土掺杂锐钛矿型 TiO2 纳米晶的电子结构和发光动力学: (A) 基质敏化发光机理以及 TiO2:Eu3+纳米晶 10 K 位置选 择发射谱: 一个近表面位置(site I)和两个晶格位置(sites II 和 III)[10]; (B) 10 K 下 TiO2:Er3+纳米晶(20~25 nm)单一格位的近红 外发光. (a) 为 523 nm 激发, (b )为带隙(358 nm)激发, 插图为 1.53 m 处的荧光寿命[11]; (C) 常温下 TiO2:Nd3+纳米晶的近红 外发光激发和发射谱[12]
170
图 3 (a) Er3+掺杂锐钛矿 TiO2 纳米晶低温高分辨激发谱; (b) 基质敏化下转换和 Yb3+敏化上转换发光示意图[13]
现为今后国内外同行从事掺杂半导体纳米发光材料 研究奠定了良好的基础.
2.3
稀土掺杂氟化物绝缘体发光材料
稀土掺杂无序结构晶体是一类庞大的发光和激 光材料体系, 因其优良的光学性能, 在激光、绿色照 明光源、 平板显示、 生物探针等领域具有广阔的用途, 但关于替代无序 ( 或统计 ) 分布阳离子格位的稀土离 子在其中的确切位置对称性长期以来一直存在很大 争议 [17, 18], 主要原因是实验观测到的稀土离子表现
郑伟, 涂大涛, 刘永升, 罗文钦, 马恩, 朱浩淼, 陈学元*
中国科学院光电材料化学与物理重点实验室; 中国科学院福建物质结构研究所, 福州 350002 *通讯作者, E-mail: xchen@ 收稿日期: 2013-10-08; 接受日期: 2013-10-31; 网络版发表日期: 2014-01-09 doi: 10.1360/N032013-00041
关键词 稀土发光 电子结构 激发态动力学 上转换 荧光生物标记
1
引言
稀土作为我国的战略资源 , 实现稀土高值利用 和产业链延伸一直是我国稀土产业长期发展的战略 目标 . 稀土离子是一类性能优异的结构和光谱探针 , 稀土离子在不同介质材料中的光学性能主要取决于 其局域态的电子结构和激发态动力学 [1~3], 对稀土 发光材料开展深入的光学和光电子学基础研究有助 于发现新颖的光学性能或开辟新的应用领域 . 依托 研制的低温高分辨激光光谱和上转换量子产率等仪 器 , 本课题组致力于稀土无机发光材料电子结构与 性能 的研究 , 近年来在发光材料的控制合成、电子 结构、光学性能及生物应用等方面取得了系列重要 结果 . 这些研究有望加快实现稀土无机发光材料在 生物应用的突破 , 实现稀土资源的高值利用 . 本文 综述了本课题组近年来在稀土发光材料方面的研究
Parameter -NaYF4 271 321 406
4 2
-NaYF4 160 347 415 304 415 132 248
Parameter
-NaYF4 564
-NaYF4 730 47 432 65 393 304 1104
B B B
2 0 2 2
B
6 0
RБайду номын сангаас B
Im B
摘要
目前, 稀土无机发光材料在激光、光通讯、平板显示、荧光生物标记和纳米光电子
器件等领域具有广泛的应用前景. 稀土离子(从 Ce 到 Yb)是一类性能优异的结构和光谱探针, 其在不同介质材料中的光学性能主要取决于其局域态的电子结构和激发态动力学. 对稀土 发光材料开展深入的光学和光电子学基础研究有助于发现新颖的光学性能或开辟新的应用 领域. 依托研制的低温高分辨激光光谱和上转换量子产率等仪器, 本课题组致力于稀土无机 发光材料电子结构与性能研究, 近年来在发光材料的控制合成、电子结构、光学性能及生物 应用等方面取得了系列重要结果. 这些研究有望加快实现稀土无机发光材料在生物应用的 突破, 实现稀土资源的高值利用.
为揭示发光材料的电子结构和激发态动力学, 本 课题组研制了低温高分辨激光光谱测试系统. 与光电 子材料的研发相比, 我国在高端光谱学测试仪器研制 方面相对滞后. 商品化、一体化的荧光光谱仪分辨率
中国科学: 化学
2014 年
第 44 卷
第2期
和扩展性受到严重限制, 无法满足高分辨、超快和低 温(< 4 K)测试的高端需求. 针对该现状, 我们集成研 制了低温高分辨激光光谱测试系统(图 1), 仪器综合性 能指标优异(最高分辨率达 0.0053 nm, 最短荧光寿命 为 11 ps, 激光波长紫外到近红外连续可调, 光谱响应 200~1700 nm, 最低温度为 3 K, 低温下换样时间小于 5 min 等). 对于该系统的技术创新概述如下 : (1) 模块化和 开放式光路设计, 具有非常好的系统扩展性, 集成多 种激光光源(皮秒可调谐激光, 纳秒 OPO 激光和连续 Xe 灯等), 充分利用低温光学恒温器的 4 个光学窗口 来设计光路, 满足各种实验需求[4]; (2) 采用多光栅组 合、快响应微通道板型光电倍增管和时间相关单光子 计数等技术, 实现了高灵敏度(阿瓦级, 1018 W)和高 分辨率(0.0057 nm)的超微弱荧光信号探测, 其分辨率 比最好的商用光谱仪提高了近 20 倍; (3) 采用闭循环 交换气型低温光学恒温器和自主设计的低温样品杆[5], 克服了常规谱仪低温下无法换样的弊端, 低温下换样 时间仅需 5 min; (4) 可测荧光寿命最短极限为 10 ps; 实现了 3 K 下皮秒瞬态荧光的快速检测.
工作 , 包括发光材料的先进测试平台研制、发光材 料的电子结构、激发态动力学与光学性能研究及其 生物应用探索 .
2
发光材料的电子结构
如何提高发光材料的量子产率和光 /热稳定性等 光学性能是材料实用化的关键 . 稀土离子在不同介 质材料中的光学性能主要取决于其局域态的电子结 构和激发态动力学.
2.1
低温高分辨激光光谱测试系统的研制
发光材料的某些特殊光学性能 , 如稀土离子长 荧光寿命和上 / 下转换发光特性 , 是其面向应用如生 物检测和成像的重要基础.
3.1
光化学与光物理性能测试平台集成研制
2.2
稀土掺杂氧化物半导体发光材料
稀土离子和半导体纳米晶 ( 或量子点 ) 本身均是 很好的发光材料 , 二者的有效结合能否产生新型高 效的发光或激光器件一直是国内外学者感兴趣的课
题 . 目前在该领域最主要的争议是三价稀土离子能 否有效掺杂到半导体纳米晶格 [6, 7]. 由于稀土离子和 基质阳离子的离子半径差异大, 电荷不匹配, 三价稀 土离子一般很难以替代晶格位置的形式掺入 ZnO 和 TiO 2 纳米晶中 . 过去国内外报道的结果大部分只能 得到稀土在这类纳米晶表面或近表面的弱发光 . 有 些文献虽然声称稀土离子进入 ZnO 和 TiO2 晶格, 但 从其提供的光谱证据来看 , 往往是谱线较宽的稀土 离子在近表面 (或类似于在玻璃基质 )发光 [8]. 如何实 现稀土离子的体相掺杂是目前这类材料应用的瓶颈 , 也是新材料制备的挑战. 经过多年的努力和摸索, 本 课题组通过改进化学合成方法实现了 Eu3+在 ZnO 和 TiO2 等半导体小纳米晶的异价体相掺杂和长寿命强 荧光发射. 例如, 发明了一种专利技术[9], 采用 Sol-gel 溶剂热法合成了高效发光的 Eu3+掺杂 TiO2 小 纳米晶, 其发光强度可与商用红色 Y2O3 荧光粉相媲 美(图 2(A)); 利用 TiO2:Eu3+纳米晶的自组装和控制热 处理温度 , 在锐钛矿型 TiO 2 小纳米颗粒中实现了 Eu 3+ 的体相掺杂 . 通过高分辨位置选择光谱观察到 Eu3+占据 3 种位置(图 2(A))[10], 其中两种确定为低对 称的晶格位置 , 具有较长荧光寿命 (0.3~0.4 ms); 当 激发到带隙能级以上时 , 可以明显看到从半导体基 质到处于晶格的两种 Eu 3+ 的能量传递 , 进一步证实 了我们的发现 . 在 TiO 2:Er 3+ 纳米颗粒中实现了单一 位置体相掺杂 , 发现该材料在 1.53 m 有很强的半