第讲_上转换发光材料

第8讲_上转换发光材料上转换发光材料（Upconversion Luminescent Materials）上转换发光材料是一种在低能量激发下可以产生高能量发光的材料。

其发光机制与传统的下转换发光材料，如荧光粉和半导体量子点等有所不同。

下转换发光材料在受到外界激发后，会先吸收光子并将其转换为较低能量的光子发出。

而上转换发光材料则能够在较低能量的激发光下，将吸收的能量进行级联转换，最终发射出高能量光。

上转换发光材料主要有两种类型：硅基和非硅基的上转换材料。

硅基上转换材料已经取得了长足的进展，并在光伏领域中受到广泛关注。

硅基上转换材料主要的特点是其上转换效率高，可以将低能量的光激发转换为高能量的发射。

这种材料对于提高太阳能电池的转换效率有很大的潜力。

非硅基的上转换材料则具有更多的选择性，并且在通过适配光源和非线性光学过程实现上转换发光方面具有更大的优势。

上转换发光材料的发光机制可以通过光功率图谱和物质能级示意图进行解释。

光功率图谱可以揭示材料在不同波长下的发光强度，从而分析材料的上转换效率。

物质能级示意图则可以通过表示材料的能量级别来解释能量的转换过程。

上转换发光材料的能级示意图中通常会包含两个部分：上转换激发态和上转换发射态。

在受到激发光的作用下，材料的电子会从基态跃迁到激发态，并且会经过一个或多个中间态的跃迁，最终发射出高能量的光子。

另外，上转换发光材料还有一些其他的应用领域。

其中最显著的是生物医学领域。

由于上转换发光材料具有可调控的发光特性，可以在多种情况下应用于生物成像和药物传递等领域。

例如，上转换发光材料可以通过发光技术提供可见光对于红外光的扩展，从而实现更深度的生物组织成像。

此外，上转换发光材料还可以用于生产发出可见光的LED灯和激光等。

总之，上转换发光材料是一种具有广泛应用前景的新型材料。

其通过将低能量的光激发转换为高能量的发射，具有很高的上转换效率和可调控的发光特性。

上转换发光材料在太阳能电池、生物医学和光电器件等领域的应用前景广阔，将在未来的科研和产业中发挥重要作用。

上转换发光机理与发光材料一、背景早在1959年就出现了上转换发光的报道，Bloemberge在Physical Review Letter上发表的一篇文章提出，用960nm的红外光激发多晶ZnS，观察到了525nm绿色发光。

1966年，Auzel在研究钨酸镱钠玻璃时，意外发现，当基质材料中掺入Yb3+离子时，Er3+、H03+和Tm3+离子在红外光激发时，可见发光几乎提高了两个数量级，由此正式提出了“上转换发光”的观点。

二、上转换发光机理上转换材料的发光机理是基于双光子或者多光子过程。

发光中心相继吸收两个或多个光子，再经过无辐射弛豫达到发光能级，由此跃迁到基态放出一可见光子。

为了有效实现双光子或者多光子效应，发光中心的亚稳态需要有较长的能及寿命。

稀土离子能级之间的跃迁属于禁戒的f-f 跃迁，因此有长的寿命，符合此条件。

迄今为止，所有上转换材料只限于稀土化合物。

三、上转换材料上转换材料是一种红外光激发下能发出可见光的发光材料，即将红外光转换为可见光的材料。

其特点是所吸收的光子能量低于发射的光子能量。

这种现象违背了Stokes定律，因此又称反Stokes定律发光材料。

1、掺杂Yb3+和Er3+的材料Yb3+(2F7/2→2F5/2)吸收近红外辐射，并将其传递给Er3+，因为Er3+的4I11/2能级上的离子被积累，在4I11/2能级的寿命为内，又一个光子被Yb3+吸收，并将其能量传递给Er3+，使Er3+离子从4I11/2能级跃迁到4F7/2能级。

快速衰减，无辐射跃迁到4S3/2，然后由4S3/2能级产生绿色发射（ 4S3/2 → 4I15/2 ），实现以近红外光激发得到绿色发射。

2、掺杂Yb3+和Tm3+的材料通过三光子上转换过程，可以将红外辐射转换为蓝光发射。

第一步传递之后，Tm3+的3H5能级上的粒子数被积累，他又迅速衰减到3F4能级。

在第二部传递过程中，Tm3+从3F4能级跃迁到3F2能级，并又快速衰减到3H4。

材料化学专业上转换荧光材料题目:班级:姓名:指导教师:年月日摘要近年来，上转换荧光纳米材料以其荧光效率高、稳定性好、分辨率高等优良性能，受到科研人员的广泛关注。

其在防伪识别、太阳能电池、生物荧光标记、上转换激光器等领域有着广泛的应用前景。

尤其是在生物上转换荧光标记领域，与传统的有机染料和量子点荧光标记材料相比具有很多优良性能，例如检测灵敏度高、背景干扰小、机体损伤小等。

通过上转换发光的原理，讨论了影响上转换发光材料发光效率的诸多因素，并通过查找文献资料，讨论了各独立影响因素的作用机理，总结了在当前发展状况下，为达到最佳发光效率应如何选择基质材料、环境温度、激活离子和敏化离子等。

现今，随着纳米技术、计算机技术等的发展，上转换发光纳米晶的研究成为了热点，在生物领域和非生物领域的研究都起着重要作用。

合成出高质量、高荧光性能的NaYF4∶Yb3+上转换纳米颗粒是使之能够在生物医学等领域广泛应用的前提条件。

本文针对NaYF4:Yb3+上转换荧光纳米颗粒的合成方法、表面修饰以及生物应用等方面的研究进展进行综述。

目录摘要 (I)第1章绪论 (1)1.1 上转换荧光材料介绍 (1)1.2 上转换荧光材料的类别 (1)1.3 上转换材料的发展历史 (2)第2章上转换的发光机制和方法 (4)2.1 上转换的发光机制 (4)2.1.1 激发态吸收 (4)2.1.2 能量传递上转换 (5)2.1.3 光子雪崩 (6)2.2 稀土上转换荧光纳米材料的制备方法 (7)第3章NaYF4:Yb3+/Er3+上转换荧光纳米晶 (9)3.1 NaYF4基质材料 (9)3.2 NaYF4:Yb3+/Er3+荧光纳米晶的上转换荧光结构与功能 (10)3.3 NaYF4:Yb3+/Er3+荧光纳米晶的制备 (11)3.4 NaYF4∶Yb3+ / Er3+上转换荧光纳米颗粒的表面修饰 (12)3.4.1 疏水性β-NaYF4:Yb,Er上转换纳米粒子（UCNPs）的表面改性 (12)3.5 NaYF4∶Yb3+ / Er3+上转换荧光纳米材料的运用 (14)总结 (15)参考文献 (16)第1章绪论1.1上转换荧光材料介绍上转换发光是在长波长光的激发下，可持续发射波长比激发光波长短的光,是指将2个或2个以上的低能光子转换成一个高能光子的现象,一般特指将红外光转换成可见光,其发光机理是基于双光子或多光子过程大多数发光材料是利用稀土离子吸收高能量的短波辐射,发出低能量长波辐射的Stoke效应。

第8讲上转换发光材料上转换发光材料是一种新型的发光材料，相比传统的下转换发光材料具有更高的照明效率和更广泛的应用范围。

本文将对上转换发光材料的原理、性能以及应用进行详细介绍。

上转换发光材料是通过将两个或多个低能量的光子转换成一个高能量的光子来实现发光的。

这种发光机制与传统的下转换发光材料不同，传统的下转换发光材料通过吸收高能量的光子后发出低能量的光子，而上转换发光材料则相反。

上转换发光材料可以将低能量的光直接转化为高能量的光，因此具有更高的发光效率。

上转换发光材料的原理主要包括以下几个方面：首先，需要有一个能够吸收低能量光子的发光体；其次，需要有一个能将吸收得到的能量转换为高能量光子的上转换剂。

当发光体吸收到低能量的光子后，会将能量传递给上转换剂，上转换剂再通过各种能量传递过程将能量聚集到一个特定的能级上，最后发出高能量的光子。

上转换发光材料的发光效率主要取决于上转换剂的吸收能力和能量传递效率。

上转换发光材料具有许多优点。

首先，上转换发光材料可以实现更高的发光效率。

由于上转换发光材料能够将低能量的光直接转换为高能量的光，因此可以提高发光效率，减少能源的消耗。

其次，上转换发光材料具有更广泛的应用范围。

传统的下转换发光材料主要用于照明和显示领域，而上转换发光材料还可以在光通信、生物医学和太阳能等领域得到应用。

上转换发光材料的应用前景十分广阔。

其中，光通信是上转换发光材料的一个重要应用领域。

由于上转换发光材料具有更高的发光效率和更低的损耗，因此可以有效提高光通信系统的传输速率和传输距离。

另外，上转换发光材料还可以应用于生物医学领域。

由于上转换发光材料具有更高的发射频率和更低的自发辐射强度，因此可以用于生物标记、光动力疗法和生物成像等应用。

此外，上转换发光材料还可以应用于太阳能领域。

太阳能电池是目前比较常见的太阳能转换设备，而使用上转换发光材料可以提高太阳能电池的光吸收效率和转换效率，从而提高太阳能发电效率。

上转换发光材料上转换发光的概念：上转换发光是在长波长光激发下，可持续发射波长比激发波长短的光。

本质上是一种反-斯托克斯（Anti-Stokes）发光，即辐射的能量大于所吸收的能量。

斯托克斯定律认为材料只能受到高能量的光激发，发出低能量的光，换句话说，就是波长短的频率高的激发出波长长的频率低的光。

比如紫外线激发发出可见光，或者蓝光激发出黄色光，或者可见光激发出红外线。

但是后来人们发现，其实有些材料可以实现与上述定律正好相反的发光效果，于是我们称其为反斯托克斯发光，又称上转换发光。

上转换发光技术的发展：早在1959年就出现了上转换发光的报道，Bloembergc在Physical Review Letter上发表的一篇文章提出，用960nm的红外光激发多晶ZnS，观察到了525nm绿色发光。

1966年Auzcl在研究钨酸镱钠玻璃时，意外发现，当基质材料中掺入Yb离子时，Er3+、Ho3+和Tm3+离子在红外光激发时，可见发光几乎提高了两个数量级，由此正式提出了“上转换发光”的观点。

整个60－70年代，以Auzal 为代表，系统地对掺杂稀土离子的上转换特性及其机制进行了深入的研究，提出掺杂稀土离子形成亚稳激发态是产生上转换功能的前提。

迄今为止,上转换材料主要是掺杂稀土元素的固体化合物，利用稀土元素的亚稳态能级特性，可以吸收多个低能量的长波辐射，从而可使人眼看不见的红外光变成可见光。

80年代后期，利用稀土离子的上转换效应，覆盖红绿蓝所有可见光波长范围都获得了连续室温运转和较高效率、较高输出功率的上转换激光输出。

1994年Stanford大学和IBM公司合作研究了上转换应用的新生长点——双频上转换立体三维显示，并被评为1996年物理学最新成就之一。

2000年Chen 等对比研究了Er／Yb：FOG氟氧玻璃和Er／Yb：FOV钒盐陶瓷的上转换特性，发现后者的上转换强度是前者的l0倍，前者发光存在特征饱和现象，提出了上转换发光机制为扩散．转移的新观点。

稀土上转换发光及其光电产品推荐目录一、什么是上转换发光？二、镧系掺杂稀土上转换发光的发光原理三、稀土上转换发光材料的应用四、相关光电产品推荐五、几个容易混淆的“上转换”概念一、什么是上转换发光？斯托克斯（Stokes）定律认为材料只能受到高能量的光激发，发射出低能量的光，即经波长短、频率高的光激发，材料发射出波长长、频率低的光。

而上转化发光则与之相反，上转换发光是指连续吸收两个或者多个光子，导致发射波长短于激发波长的发光类型，我们亦称之为反斯托克斯（Anti-Stokes）。

Figure 1.常规发光和上转换发光能级跃迁图Figure 2.样品被绿光激光激发之后产生荧光（左边样品为Stokes emission，右边样品为Anti-stokes emission）上转换发光在有机和无机材料中均有所体现，但其原理不同。

有机分子实现光子上转换的机理是能够通过三重态-三重态湮灭（Triplet-triplet annihilation，TTA），典型的有机分子是多环芳烃（PAHs）。

无机材料中，上转换发光主要发生在镧系掺杂稀土离子的化合物中，主要有NaYF4、NaGdF4、LiYF4、YF3、CaF2等氟化物或Gd2O3等氧化物的纳米晶体。

NaYF4是上转换发光材料中的典型基质材料，比如NaYF4:Er,Yb，即镱铒双掺时，Er做激活剂，Yb作为敏化剂。

本应用文章我们着重讲讲稀土掺杂上转换发光材料（Upconversion nanoparticles,UCNPs）。

二、镧系掺杂稀土上转换发光的发光原理无机材料有三个基本发光原理：激发态吸收(Excited-state absorption, ESA)，能量传递上转换(Energy transfer upconversion, ETU)和光子雪崩(Photon avalanche, PA)。

Figure 3.稀土上转换发光材料的发光原理(a)激发态吸收激发态吸收过程(ESA)是在1959年由Bloembergen等人提出，其原理是同一个离子从基态通过连续多光子吸收到达能量较高的激发态的过程，这是上转换发光最基本的发光过程。

上转换发光材料
上转换发光材料通常由激发态离子和基态离子组成。

当激发态离子吸收高能光
子后，它会跃迁到一个更高的能级，然后再通过非辐射跃迁回到基态，释放出低能量的光子。

这个过程中，能量的损失会导致发射出的光子的波长变长，从而完成了上转换发光的过程。

上转换发光材料有着许多优点。

首先，它可以实现高效的发光，能够将电能转
化为光能，从而提高能源利用率。

其次，上转换发光材料可以实现多色光发射，通过控制材料的成分和结构，可以实现不同波长的发光，满足不同应用的需求。

此外，上转换发光材料还具有较长的寿命和稳定的性能，能够在恶劣的环境下工作。

在实际应用中，上转换发光材料被广泛应用于LED照明和显示屏领域。

LED
照明具有节能、环保、寿命长等优点，而上转换发光材料可以实现LED的多色发光，从而满足不同场合对光的需求。

在显示屏领域，上转换发光材料可以实现高亮度、高对比度的显示效果，提高了显示屏的质量和观赏性。

此外，上转换发光材料还在生物成像、激光器、光通信等领域有着重要的应用。

在生物成像领域，上转换发光材料可以实现多色荧光标记，用于细胞和组织的成像和检测。

在激光器领域，上转换发光材料可以实现激光器的多波长输出，满足不同应用对激光波长的需求。

在光通信领域，上转换发光材料可以实现高效的光源和探测器，提高了光通信系统的传输速率和稳定性。

总的来说，上转换发光材料在现代科技领域有着非常广泛的应用前景，它不仅
可以实现高效的发光，还可以实现多色发光，具有较长的寿命和稳定的性能。

随着科技的不断发展，相信上转换发光材料会有更多的应用场景和发展空间。

上转换发光材料范文发光材料是一类具有发光性能的材料，广泛应用于照明、显示、传感等领域。

上转换发光材料是指通过吸收高能量的光子，然后发射出低能量的光子，实现能量的转换。

本文将从上转换材料的基本原理、发展历程，以及在照明、显示等领域的应用进行详细介绍。

上转换发光材料的基本原理是基于激发技术，通过上转换过程将吸收的高能量光子转换成低能量光子的发射，并且该过程是通过非线性光学效应实现的。

具体而言，上转换发光材料一般包含两个主要组分：吸收物和发射物。

吸收物可以吸收高能量的光子，并且通过与发射物之间的能量转移，将高能量的光子转换成低能量的光子。

而发射物则可以在吸收物的激发下，发射出相应的低能量光子。

早期的上转换发光材料主要是稀土元素化合物，如氧化物、硫化物等。

这些材料在经历激光束照射后，可以发射出光子，实现能量的转换。

然而，这些材料存在一些缺点，如低光转换效率、复杂的合成过程等，限制了其在实际应用中的推广。

因此，研究人员开始寻找新型的上转换发光材料。

近年来，基于半导体材料的上转换发光材料逐渐受到研究人员的关注。

这些材料具有较高的量子效率和较简单的制备方法，可以通过控制材料的组分、结构等来调控其上转换发光的性能。

例如，钙钛矿材料是一类具有良好上转换性能的半导体材料，其可利用偶极矩耦合效应和量子限制效应来实现能量的转换。

此外，量子点材料也是一类常用的上转换发光材料，通过调节量子点的大小和组分，可以实现对发光波长的精确控制。

在照明领域，上转换发光材料有望替代传统的荧光粉材料，实现更高效的照明效果。

传统的荧光粉材料主要是利用吸收紫外光，然后发射可见光的特性，存在一定的能量损耗。

而上转换发光材料可以通过调节吸收和发射波长之间的能量差，实现更高效的能量转换，从而提高光转换效率。

另外，上转换发光材料还可以实现发光波长的精确调控，通过调整材料的组分和结构，可以实现各种色温的照明效果。

在显示领域，上转换发光材料可以应用于量子点显示技术。