第8讲_上转换发光材料

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。

上转换材料及其发光机理传统的荧光发光机理是通过吸收高能量光，然后再辐射出低能量的可见光。

而上转换材料的发光机理则是在光激发的条件下，将两个或多个低能量光子转变为一个高能量光子。

这种非线性的发光过程在自然界中极为罕见，但在上转换材料中可以被实现。

这种不同的发光机理大大提高了材料的发光效率和发光颜色的可调性。

上转换材料一般由稀土离子掺杂的晶体或纳米颗粒组成。

稀土离子具有特殊的能级结构，使其在光激发后能够发生上转换过程。

这些稀土离子通常是从镧系元素中选择，如铒、钆、铽等。

它们的激发能级之间存在能级差，可以产生上转换。

首先，上转换材料吸收低能量光，将其激发到高能量态的能级上。

这个步骤类似于传统的荧光发光机制。

然后，在高能量态的能级上，经过一系列的能级跃迁，将能量转移到低能量态的能级上。

这些能级跃迁发生的过程符合量子力学的选择规则，只有特定的能级跃迁才能够发生。

最后，当稀土离子从高能量态能级回到低能量态能级时，通过相应的能级跃迁过程，产生一个高能量的光子。

这个光子的能量大于输入的光子能量，完成了上转换发光。

由于上转换的发生是非线性的过程，上转换材料可以实现比传统荧光材料更高的发光效率。

值得注意的是，上转换材料的发光颜色可以通过控制稀土离子的选择和浓度来改变。

不同的稀土离子对应不同的能级跃迁过程，从而产生不同的发光颜色。

这使得上转换材料具有广泛的应用潜力，例如在生物医学成像、显示技术和激光技术等方面。

总之，上转换材料是一类非常有趣和有用的材料，其发光机理通过稀土离子的能级跃迁实现。

上转换材料的发光效率高且能够调控发光颜色，为其在多个领域的应用提供了良好的前景。

随着对其发光机理的深入研究和材料性能的改进，上转换材料有望在未来得到更广泛的应用。

Vol 137No 12・6・化　工　新　型　材　料N EW CH EMICAL MA TERIAL S 第37卷第2期2009年2月综述与专论基金项目:国家自然科学基金(20876002),北京市自然科学基金(2082009),北京市自然科学基金重点项目(09B0054)作者简介:杨志萍(1982-),女,北京工商大学,硕士研究生。

联系人:孙家跃(1955-)男,教授,博导,从事无机功能材料的研究。

上转换发光材料的合成与应用杨志萍　杜海燕　孙家跃3(北京工商大学化工学院,北京100037)摘　要　综述了目前国内外上转换发光材料的几种合成方法,包括传统的高温固相合成法、溶胶2凝胶法、水热合成法、共沉淀法等。

总结了不同方法的优缺点,对上转换材料合成方法的发展进行了展望。

并介绍了上转换技术的一些应用。

关键词　上转换,发光材料,合成方法Synthetic methods and application of upconversion luminescence materialsYang Zhiping Du Haiyan Sun Jiayue(School of Chemical Engineering ,Beijing Technology and Business University ,Beijing 100037)Abstract This paper generalized several synthetic methods of this materials used presently at home and abroad.The synthetic methods included high temperature solid method ,sol 2gel process ,hydrothermal synthesis ,co 2precipitation method and so on.The advantages and disadvantages of every method were discussed.Moreover ,the synthetic methods of upconversion luminescence materials for f urther development were prospected.The application of upconversion technology was introduced.K ey w ords upconversion ,luminescence material ,synthetic methods 上转换发光是在60年代发展起来的,并广泛应用于红外的一种发光技术。

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。

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。

上转换发光材料研究进展与应用近年来，上转换发光材料作为一种新型发光材料，在光学领域展现出了巨大的潜力。

其独特的能量转换机制使其在光电子学、显示技术和生物荧光成像等领域得到了广泛的应用和研究。

本文将介绍上转换发光材料的研究进展以及其在各个领域中的应用。

上转换发光材料是一种在外界激发下能将低能量光转换为高能量光的材料。

这种能量转换机制是通过将两个或多个低能量光子吸收而形成的。

在激发过程中，一个或多个电子从基态跃迁到激发态，然后释放出一个高能量光子来进行光致发光。

因此，相比于传统的发光材料，上转换发光材料具有更高的效率和更宽的发光波段范围。

上转换发光材料的研究进展得益于近年来对材料设计和合成技术的持续发展。

例如，通过改变晶体结构和化学组成，可以调控发光材料的能带结构和能量转换过程。

此外，利用纳米材料和量子点等新型结构也使得上转换发光材料的效率和发光特性得到了显著提升。

在激光技术方面，上转换发光材料是一种潜在的替代品。

由于其能够将多个低能量激光束转换为高能量激光束，上转换发光材料被广泛应用于频率倍频、调频和调制激光等领域。

此外，上转换发光材料还可用于制备光学放大器、光学透镜、摄像头和激光指示器等。

在显示技术方面，上转换发光材料可以用于提高显示器的颜色饱和度和亮度。

通过将上转换发光材料掺杂到液晶显示器或有机发光二极管中，可以实现更宽的发光波长范围和更高的发光效率。

此外，上转换发光材料还可以用于柔性显示器的制备，提供更大的设计灵活性和机械稳定性。

在生物荧光成像方面，上转换发光材料也正在发挥着重要作用。

由于其较长的发光寿命和较小的自发发光背景，上转换发光材料可以提高荧光成像的分辨率和对比度。

这使得其在生物领域的细胞成像、分子探测和医学诊断等方面具有广阔的应用前景。

总之，上转换发光材料作为一种新型的发光材料，具有高效率、宽波段和独特的光致发光特性。

在激光技术、显示技术和生物荧光成像等领域，上转换发光材料正在得到广泛的研究和应用。

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。

上转换材料及其发光机理首先，上转换材料是指能够将较低能量的光或非辐射能转化为较高能量的光的材料。

相对于下转换材料来说，上转换材料具有更高的能量转换效率和更宽的波长范围。

上转换材料在太阳能电池、LED照明、激光器等领域都具有重要的应用。

根据上转换材料的组成和结构特点，可以将其分为有机上转换材料和无机上转换材料两大类。

有机上转换材料一般是通过合成具有特殊结构和性质的有机物质来实现，如有机染料、有机共轭聚合物等。

无机上转换材料则主要包括量子点、铁电晶体和磷光材料等。

上转换材料的性能主要包括发射波长范围、量子效率、稳定性等。

发射波长范围是指上转换材料能够吸收和发射的光的波长范围，该参数对于具体应用有着重要的影响。

量子效率则是指上转换材料将吸收的光转换为发射光的效率，该参数决定了光转换的效果和效率。

稳定性是指上转换材料在长期使用过程中的性能表现，该参数对于材料的应用寿命有着重要的影响。

上转换材料的发光机理主要涉及激子的形成和能级的跃迁等过程。

在吸收光的作用下，材料中的激子会被激发并进入高能级态。

然后，在受到适当激发的条件下，激子会发生能级跃迁，从高能级态跃迁到低能级态，并发射出高能量的光子。

值得注意的是，上转换材料的发光机理并不完全符合热力学规律，因此需要通过合理设计材料的结构和能级来实现上转换效果。

例如，在一些有机上转换材料中，可以通过合成共轭聚合物、引入吸收能带和传输能带之间的插层态等方法来提高量子效率和发射波长范围。

综上所述，上转换材料作为一种能够将低能量光转换为高能量光的材料，在光电子学和光电器件中有着重要的应用。

其能够通过合成特殊的有机或无机物质，实现对光的吸收和发射过程的控制。

通过深入研究上转换材料的性质和机理，可以进一步拓展其应用领域，并提高其发光效率和稳定性。

上转换发光材料研究进展和应用发光材料是一种能够吸收能量并将其转化为光能的物质。

它们具有广泛的应用领域，包括显示技术、照明、生物医学和光电子学等。

在过去的几十年中，人们对发光材料进行了深入研究，取得了重大突破。

本文将介绍发光材料的研究进展和应用。

发光材料的研究进展主要集中在三个方面：发光机制的理解、材料性能的改进和新型材料的发现。

首先，对发光机制的理解是发光材料研究的基础。

发光的机制可以分为两类：激发态发光和复合态发光。

激发态发光是指一个分子或晶体在受到能量激发后进入激发态，然后返回到基态时发射光辐射。

复合态发光是指在材料中形成的复合态能级与基态能级之间的跃迁所产生的发光。

研究者通过实验和理论模拟，对这些机制进行了深入研究，为设计和制备高效发光材料提供了理论指导。

其次，材料性能的改进是发光材料研究的关键。

研究人员通过调控材料的化学组成、晶体结构和形貌等因素，改善发光材料的光电性能。

例如，改变材料的能带结构和态密度，可以调控材料的能带间隙和发光颜色。

此外，改善材料的光吸收和发射效率、延长发光寿命等也是研究的热点。

通过材料性能的改进，可以提高材料的发光亮度、色纯度和稳定性，满足不同应用的需求。

最后，新型发光材料的发现也推动了发光材料研究的进展。

基于纳米技术的发展，研究人员发现了一系列新型发光材料，如量子点、金属有机骨架材料和钙钛矿材料等。

这些材料具有独特的电子结构和发光性能，可以在光电子学、生物医学和显示技术等领域得到广泛应用。

例如，量子点具有可调谐的发光波长和窄的发光带宽，可以用于显示屏、白光LED和生物探针等；钙钛矿材料具有高得率的载流子发光和高量子效率，被广泛应用于太阳能电池、光电二极管等领域。

除了以上的研究进展，发光材料在实际应用中也取得了显著的成果。

例如，LED照明技术已经取代传统的白炽灯和荧光灯，成为绿色、高效的照明选择。

显示技术也从CRT发展到LCD、OLED和MicroLED等新型显示技术，提供了更高的显示质量和更低的能耗。