百科：稀土上轉換發光納米材料

2021-03-01
來源：中國粉體網山川

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[導讀] 上轉換發光材料是一種新型材料，可將近紅外光轉換為短波可見光，具有優異的光學性能和穩定的化學性質，在生物醫藥、太陽能電池及照明領域等被廣泛應用。

中國粉體網訊 上轉換發光材料是一種新型材料，可將近紅外光轉換為短波可見光，具有優異的光學性能和穩定的化學性質，在生物醫藥、太陽能電池及照明領域等被廣泛應用。稀土上轉換發光納米材料(UCNPs)不僅具有稀土離子的獨特能級結構，更以其它熒光材料無法比擬的高靈敏度、強組織穿透力、無自發熒光和不損傷生物組織等特性，被人們爭相廣泛開發研究，并取得了一系列顯著的成就。

上轉換發光材料通常由基質材料、稀土激活劑和敏化劑組成。

稀土上轉換納米發光材料基質的選擇

基質材料、敏化劑和激活劑是影響稀土發光材料發光性能的主要因素。發光材料對于基質材料的要求是一般不能受到激發而發光，但能為激活離子提供合適的晶體場，降低無輻射躍遷幾率，使其產生光譜發射。一直以來，上轉換發光材料研究的重點是尋找既能獲得高上轉換發光效率，又具有較高穩定性的基質材料。從目前的研究來看，基質材料主要可分為鹵化物體系、氧化物體系、氟氧化物體系和硫化物體系4類。

稀土上轉換納米發光材料稀土離子的選擇

稀土離子作為摻雜離子在制備上轉換發光材料中扮演著極為重要的角色，當前摻雜研究主要集中在Er³⁺、Tm³⁺和Ho³⁺。稀土Yb³⁺的激發光波長是980nm，吸收截面大，是最為常用且有效的上轉換敏化劑。當Yb³⁺和其他稀土離子共摻雜到基質中，激發Yb³⁺離子，能量傳遞引起光子疊加效應使得上轉換發光效率大大提高。

制備方法

1、燃燒合成法

燃燒合成是利用化學反應自身的放熱來制備材料的方法。原料為稀土硝酸鹽(如Y(NO₃)₃)和有機燃料(如氨基酸、甘胺酸等)。在一個燃燒合成反應中，反應物達到放熱反應的點火溫度時，點燃后，反應由放出的熱量維持，燃燒產物即為所需材料。燃燒合成法具有反應時間短、產物純度高、設備簡單、成本低廉、可以用來制備亞穩相物質等優點。用燃燒法合成的納米上轉換發光材料主要有：Y₂O₃：Er³⁺；Y₂O₃：Er³⁺，Yb³⁺；Gd₃Ga₅O₁₂：Tm³⁺，Yb³⁺；Gd₃Ga₅O₁₂：Er³⁺等氧化物和復合氧化物材料。

2、溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是以金屬醇鹽或其他金屬無機鹽作為前驅體，溶于溶劑中形成均勻的溶液，再加入各種添加劑如絡合劑、催化劑等，在適合的溫度和pH值條件下，溶液中的溶質發生水解、聚合等化學反應，首先生成溶膠，進而生成具有一定空間結構的凝膠，然后經過熱處理，在較低溫度下制備出各種無機材料或復合材料的方法。溶膠-凝膠法具有：容易達到分子水平均勻，便于控制摻雜量，熱處理溫度低、設備簡單、價格低廉等優點。用溶膠-凝膠法合成的納米上轉換發光材料有：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種或2種以上金屬離子的多元體系溶液中加入沉淀劑，得到各種成分均一沉淀的方法。得到的沉淀物經分離沉降，然后經過干燥，再在不同的溫度下灼燒便得到納米發光材料。共沉淀法具有反應溫度低、樣品純度高、粒徑小、分散性很好、操作簡便、無須復雜設備、成本低廉、并可以大批量制備等優點。用共沉淀法合成的納米上轉換發光材料主要有：Y₂O₃：Er³⁺，Yb³⁺；Y₂O₃：Er³⁺；YAG：Er³⁺；Lu₂O₃：Ho³⁺，Yb³⁺等材料。

4、水熱法

水熱法是在特制的密閉容器內完成的。一般是在100～350℃和高壓環境下使無機或有機化合物與水化合，通過對加速滲析反應和物理過程的控制得到改進的無機物，再過濾、洗滌、干燥，從而得到高純度的納米粒子。水熱法具有能耗低、實用性廣、環境污染少、可有效控制反應和晶體的生長特性等優點，用水熱法合成的納米上轉換發光材料主要有：NaYF₄：Er³⁺；LaF₃：Er³⁺；Y₂O₃：Er³⁺；YVO₄：Er³⁺等材料。

應用

1、在生物領域的應用

UCNPs基于稀土離子的亞穩態能級特性可將近紅外激發光轉化為可見光或近紅外光，具有光穿透深度大、無自發熒光干擾、對生物組織幾乎無損傷等顯著優勢。作為新興的熒光探針，UCNPs受到了研究者們的極大青睞，其在以下領域極具研究與應用價值。

1）免疫分析及生物傳感；

2）生物成像；

3）光動力、光熱致理療和載藥。

UCNPs所具有的光穩定性好、化學穩定性高、信噪比高和潛在生物毒性小等優點，使其超越有機染料和量子點成為更加理想的生物成像標記物，生物成像也成為UCNPs最重要的應用領域之一。

2、在非生物領域的應用

UCNPs除了在上述生物領域的應用廣受關注之外，在非生物領域(如光信息存儲、3D顯示、安全防偽及太陽能電池等)也有著很好的應用前景。

參考來源：

[1]郭春芳.稀土摻雜上轉換發光納米材料的研究進展

[2]田婧等.稀土上轉換納米發光材料研究進展