利用“自下而上”策略构建具有超宽带近红外荧光发射的稀土掺杂纳米晶-玻璃复合材料

三价稀土离子具有丰富的4f能级及较高的发光效率,近年来在固态激光、光通讯、平板显示、生物标记等领域受到了广泛关注。虽然稀土发光材料具有很好的应用前景,但由于其4f发射为窄带禁阶跃迁,稀土发光材料仍难以实现高效可调谐的宽带荧光发射。目前,拓宽稀土发光材料发射带宽的研究主要集中在共掺,即在同一均质材料中掺杂具有不同发射波长的发光中心,产生连续的宽带发射。由于具有相近的发射波长,给体和受体间很容易产生非辐射能量传递,导致发光的严重猝灭,限制了其应用。

针对这一问题,华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室董国平教授和其他研究人员通过采用一种“自下而上”的复合材料设计策略,先设计出发射波段可连续叠加的稀土单掺纳米晶,再以低熔点玻璃为框架,选择性地可控组装不同的荧光纳米晶,在玻璃中构建出一种具有纳米尺度非均匀结构的复合材料。这种纳米局域非均匀结构可以将稀土离子限制在不同纳米晶中,由于纳米晶间距离大于共振能量传递距离,从而可以在根本上克服发光中心间的非辐射能量传递导致的荧光猝灭。研究结果表明,在实现纳米晶与玻璃基质多性能协同匹配的基础上,该纳米晶-玻璃复合材料可以实现覆盖整个低损耗光通讯窗口(1300-1600nm)的宽带发射,其发射强度与直接共掺相比增强了一个数量级。通过调节组装纳米晶的类型及比例,可对宽带光谱的发射峰型进行精细调控。

综上所述,该工作开发了一种新型的可调谐宽带近红外稀土发光材料。这种“自下而上”的简便策略具有很好的通用性,其内部组装性能有望在光学、磁学、力学等不同领域带来广泛多元的应用空间,并为开发新型稀土材料在光通讯、激光、传感、能源等新领域的应用提供新的思路。相关论文在线发表在Advanced Optical Materials (DOI: 10.1002/adom.201801482)上。