近期，華中科技大學材料學院材料成形與模具技術國家重點實驗室新材料與器件研究中心團隊與中國科學院化學研究所在《自然·通訊》（Nature Communications）上合作發表了關于稀土上轉換發光材料的最新研究成果“Enhancing multiphoton upconversion through interfacial energy transfer in multilayered nanoparticles”（通過界面能量傳遞增強多層結構納米粒子的多光子上轉換發光）。該工作由材料學院馬穎教授團隊、中國科學院化學研究所姚建年院士、張闖研究員以及中國科學院高能物理研究所谷戰軍研究員合作完成。材料學院2016級碩士研究生周斌、2016級博士研究生唐冰為論文共同第一作者，馬穎教授為論文的通訊作者。

圖1. NaYF4:Er@NaYbF4@NaYF4 核-殼-殼納米顆粒的結構(a)和傳統NaYF4:Yb, Er@NaYF4 共摻雜核-殼納米顆粒的結構(b)示意圖

上轉換發光即反-斯托克斯（Anti-Stokes）發光，其特征在于通過中間長壽命能量狀態連續吸收兩個或更多個泵浦光子，然后以比泵浦波長更短的波長發射輸出輻射。上轉換發光在顯示器、太陽能電池、緊湊型固態激光器、紅外量子計數器探測器以及溫度傳感器等領域具有潛在應用。上轉換納米顆粒通常由無機基質及鑲嵌在其中的稀土摻雜離子組成，NaYF4是上轉換發光效率最高的基質材料之一，為了增強上轉換發光效率，作為敏化劑與激活劑的稀土離子通常共同摻雜，比如NaYF4:Yb3+, Er3+體系中，Er3+作為激活劑，Yb3+作為敏化劑。為了盡量避免激發能量因交叉弛豫而造成的損失，在敏化劑-激活劑共摻雜體系中，激活劑的摻雜濃度通常不超過2%。較低的摻雜濃度導致發光效率和強度較低，嚴重限制了上轉換納米顆粒的應用，因此近年來人們一直致力于提高稀土摻雜納米顆粒上轉換發光效率的研究工作。根據能量傳遞機制和發光猝滅途徑，設計新型結構來優化能量傳遞路徑，減少非輻射能量損失，克服共摻雜體系的濃度猝滅效應，提高摻雜濃度以制備高亮度、高效率的上轉換納米顆粒，是稀土上轉換納米材料中最重要的研究目標。

圖2. 核-殼-殼納米顆粒的電鏡表征和顯著增強的多光子上轉換發光

在該研究中，合作團隊通過多層結構（NaYF4: Er@NaYbF4@NaYF4）設計，將敏化劑和激活劑在空間上相互分隔，成功抑制了敏化劑和激活劑之間的交叉弛豫。即使在高摻雜濃度下（Er3+的濃度為10~50%），也沒有發生明顯的濃度猝滅效應，并且多光子上轉換發光比傳統共摻雜體系（NaYF4:Yb3+, Er3+@NaYF4）增強約100倍。這一結果表明能量遷移輔助的界面能量傳遞是高效的能量傳遞上轉換過程。通過不同濃度、敏化層厚等結構的發光衰減動力學研究進一步證明了這一能量傳遞機制。這種多層結構可以有效突破共摻雜濃度局限，減弱交叉弛豫等非輻射能量損失，在NaYF4: Er@NaYbF4@NaYF4 納米顆粒中實現了較高的量子產率。由于敏化劑和激活劑之間的交叉弛豫被抑制，不同于傳統共摻雜核殼結構的紅光發射增強，在溫度降低時，多層結構的多光子藍光發射得到顯著增強。顯然，利用能量遷移輔助的界面能量傳遞可以更加靈活地設計和合成高效發光的稀土上轉換納米顆粒，以滿足實際應用需求，尤其是在需要高能量光子發射的光遺傳學等領域具有潛在應用價值。

該研究得到國家自然科學基金、科技部國家重點研發計劃和中央高校基本科研業務費等項目的資助。