上转换发光材料

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发光学报2006, 27(3)

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【参考文献】

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上转换发光过程

上转换发光过程

一、引言

上转换发光是一种基于荧光材料的发光技术，具有高效、可靠、稳定等特点，在LED照明、显示技术等领域得到广泛应用。本文将详细介绍上转换发光的基本原理、材料选择和制备方法。

二、基本原理

上转换发光是通过荧光材料将短波长的激发能量转化为长波长的可见光能量。其基本原理如下：

1. 荧光材料吸收能量：荧光材料吸收外部能量，如紫外线或蓝色LED等，使其处于激发态。

2. 能量传递：激发态的荧光分子通过与周围分子碰撞而失去部分能量，并将这些能量传递给其他分子，直到最终传递到某个分子，使其达到激发态。

3. 上转换：当这个分子从激发态回到基态时，它会释放出一个比吸收时更长波长的光子，即进行了上转换。

4. 发射：释放出来的可见光经过进一步处理后形成人眼可以看到的彩色光。

三、材料选择

荧光材料是实现上转换发光的关键因素。选择合适的荧光材料可以提高发光效率、改善颜色均匀性、减少能量损失等。常见的荧光材料有以下几种：

1. 稀土离子：稀土离子是目前最常用的上转换发光材料之一，其具有较高的量子产率和较窄的发射带宽，可以实现高效率、纯净度高的发光效果。

2. 有机分子：有机分子荧光材料具有较宽的吸收带宽和调制性能，可以实现广泛的颜色选择和调节。

3. 无机晶体：无机晶体荧光材料具有较高的热稳定性和抗氧化性能，可以应用于高温环境下的照明等领域。

四、制备方法

1. 溶液法：溶液法是一种简单易行且成本低廉的制备方法。通常采用水热法或油相法将荧光物质与基质混合制备出上转换发光粒子。

2. 气相沉积法：气相沉积法是一种基于物理气相沉积技术的制备方法，通过控制反应条件和材料选择，可以实现高质量、高纯度的上转换发光材料。

3. 溅射法：溅射法是一种常用的制备薄膜的技术，通过在基底上溅射荧光材料形成薄膜，可以实现高效率、均匀性好的上转换发光薄膜。

五、结论

上转换发光技术是一种高效、可靠、稳定的发光技术，在LED照明、显示技术等领域有着广泛应用。选择合适的荧光材料和制备方法可以提高其发光效率和颜色均匀性，为其在未来的应用中提供更多可能性。

镧系离子掺杂半导体上转换材料的简要概述

1. 引言

1.1 概述

本文旨在对镧系离子掺杂半导体上转换材料进行简要概述。随着科学技术的不断进步，上转换材料在光电领域中扮演着至关重要的角色。上转换过程是指通过吸收辐射能量并将其转化为更高能量的光，在太阳能电池、荧光显示器和生物成像等领域具有广泛的应用前景。而镧系离子掺杂半导体作为一种重要的上转换材料，因其特殊的发光性质和较大的位移交叉截面而备受研究者关注。

1.2 背景

随着人们对节能环保和可再生资源利用需求的不断增长，绿色新能源和高效光电器件的研究得到了广泛关注。而太阳能电池作为目前最常见和最具潜力的新能源发电方式之一，其效率提升是解决能源问题中的重要课题。然而，现有太阳能电池往往无法有效利用来自太阳或其他辐射源中低能量光线。此时，上转换材料就成为了解决该问题的一种有效途径。

1.3 目的

本文旨在对镧系离子掺杂半导体上转换材料进行简要概述，通过深入了解离子掺杂技术、镧系离子特性和半导体基础知识，从而揭示上转换原理及其应用领域。同时，我们将着重介绍合成及性能调控技术，并展望未来发展方向。通过本文的阐述，希望读者能够全面了解镧系离子掺杂半导体上转换材料的研究进展与前景，为相关领域的科学家和工程师提供参考和启示。

2. 镧系离子掺杂半导体

2.1 离子掺杂简介

离子掺杂是指将外源性离子引入晶格中的一种技术，在半导体材料中特别常见。其中，镧系离子是一类广泛应用于半导体的离子掺杂物种。通过离子掺杂，可以有效地改变半导体的电学、磁学和光学性质，以满足不同领域的需求。

2.2 镧系离子特性

镧系元素是指周期表中镧系元素La至Lu。这些元素具有独特的电学和光学性质，使其成为半导体上转换材料的理想选择。镧系离子在激发态下能够较长时间地保持其能级，因此可以实现高效率的荧光发射。

另外，镧系离子还具有丰富的跃迁能级和较窄的共振吸收峰，并且相互之间存在强耦合效应。这些特性使得镧系离子在上转换过程中具有很大优势，从而提高了上转换效率并降低了能量损失。

1

关于上转换发光材料的报告

上转换发光，即:反-斯托克斯发光(Anti-Stokes)，由斯托克斯定律而来。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、频率高的材料激发出波长长的、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。其原理有激发态吸收(ESA)、能量传递上转换(ETU)和光子雪崩(PA)三种。

一、上转换材料的组成

上转换纳米颗粒通常由无机基质及镶嵌在其中的稀土掺杂离子组成。尽管理论上大多数稀土离子都可以上转换发光，而事实上低泵浦功率(10W/cm2)激发下，只有和作为激活离子时才有可见光被观察到，原因是这些离子具有较均匀分立的能级可以促进光子吸收和能量转移等上转换所涉及的过程。为了增强上转换效率，通常作为敏化剂与激活剂一同掺杂，因其近红外光谱显示其有较宽的吸收域。作为一条经验法则，为了尽量避免激发能量因交叉弛豫而造成的损失，在敏化剂-激活剂体系中，激活剂的掺杂浓度应不超过2%。

上转换过程的发生主要依赖于掺杂的稀土离子的阶梯状能级。然而基质的晶体结构和光学性质在提高上转换效率方面也起到重要作用，因而基质的选择至关重要。用以激发激活离子的能量可能会被基质振动吸收。基质晶体结构的不同也会导致激活离子周围的晶体场的变化，从而引起纳米颗粒光学性质的变化。优质 2

的基质应具备以下几种性质:在于特定波长范围内有较好的透光性，有较低的声子能和较高的光致损伤阈值。此外，为实现高浓度掺杂基质与掺杂离子应有较好的晶格匹配性。综上考虑，稀土金属、碱土金属和部分过渡金属离子的无机化合物可以作为较理想的稀土离子掺杂基质。

尽管目前UC颗粒已有许多合成方法，为了得到高效的UC发光产品，许多研究仍致力于探寻合成高晶化度的UC颗粒。具有较好晶体结构的纳米颗粒，其掺杂离子周围有较强的晶体场，且因晶体缺陷而导致的能量损失较少。考虑到生物领域的应用，为与生物(大)分子结合，纳米颗粒应同时具备小尺寸和良好分散性的特点。传统的合成上转换纳米颗粒的方法中，为了得到高晶化度、高分散度、特定的晶相和尺寸的产物，总体上对反应条件有较高的要求，如高温和长反应时间，而这可能导致颗粒的聚集或颗粒尺寸变大。对此，我们最近研究找到了较温和的反应条件，在此条件下合成的纳米颗粒有小尺寸和较好的光学性质。严格控制掺杂浓度，还可以得到不同晶相和尺寸的纳米颗粒。