Y2O3:Yb3+/Er3+多壳层空心球:可控微结构与增强的上转换发光性能

随着稀土上转换发光材料在太阳能电池、激光材料等方面的应用,稀土上转换发光材料备受研究者的关注。稀土上转换发光材料具有许多优点,例如低毒、化学稳定性高、发光寿命长,同时它们还具有光穿透深度大并且对生物组织几乎无损伤等优点。这些特点使得稀土上转换发光材料有望成为新一代的荧光探针与荧光标记材料。

Y2O3作为优秀的稀土上转换发光基质材料具有声子能量较低、物理化学性能稳定、易于实现稀土离子掺杂等优点,其微结构控制制备及构效关系引起了研究者的广泛关注。北京科技大学于然波教授课题组就Y2O3基多壳层空心球型上转换发光材料的制备进行了深入而细致的研究,探索出了一条具有普适性的简易合成路线,解明了多壳层空心结构的形成机理,发现了这种特殊结构对材料上转换发光性能的增强现象,探讨了多级空心结构对发光增强的作用机制,实现了相关领域的研究突破。相关研究结果发表在近期的Small杂志上

在当前制备多壳层空心球的方法中,通常硬模板法被认为是制备多壳层空心球的最有效手段。但是当所制备的材料具有较大的离子半径时,碳球模板法已不再适用。因为离子在碳球表面的吸附与碳球内部的扩散变得困难。因此探索一种具有普适性的制备具有较大离子半径化合物的方法仍然是一个挑战。

为解决这一问题,该课题组首先在简单的水热体系中获得了含有Y3+的复合碳球,并实现了复合碳球中Y3+含量的调控。其次通过控制焙烧过程首次得到壳层数多达4的Y2O3空心球。并实现了敏化剂Yb3+与激活剂Er3+在Y2O3多壳层空心球中的均匀掺杂。深入的机理分析进一步揭示出控制复合碳球内部的Y3+含量、平衡Y2O3形核与有机物燃烧的速率是形成Y2O3多壳层空心球的重要因素;在复合碳球中Y3+含量适宜的情况下,空心球的壳层数随着焙烧速率的提高而增加。

通过掺杂上转换发光离子Er3+,可得到发光性能良好的Y2O3:Er3+多壳层空心球。Er3+的最佳掺杂浓度为6mol%;为进一步提高上转换发光效率,进行了Yb3+/Er3+共掺杂,Yb3+/Er3+的最佳掺杂量是3mol%/1mol%。同时Er3+Yb3+/Er3+掺杂的空心球均表现发光强度随着壳层数的增加而增强的特性。同时,在相同的稀土离子掺杂量的情况下,Y2O3:Yb3+/Er3+多壳层空心球的发光强度要远远高于纳米棒的发光强度。这揭示了纳米/微米多壳层空心结构对材料发光性能的重要意义。而空心球内部多级结构对近红外激发光的捕获和反射的共同作用则可能是实现多壳层空心球上转换发光强度随壳层数的增加而增强的根本原因。材料的漫反射光谱结果也在一定程度上支持了以上推断。值得强调的是这种集简易性、普适性于一体的制备方法为合成其它多壳层结构的化合物提供了新的研究思路。同时,这种形貌均一、内部结构可控、发光性能优异的Y2O3:Yb3+/Er3+多壳层空心球在显示器、药物缓释等方面具有潜在的应用价值。Untitled