上轉換發光材料及其應用

在光致發光過程中，若材料吸收兩個或更多光子後只發射-一個光子，其發射

光的波長將短於激發光[如圖1 (b)]， 這種現象稱為上轉換發光。

從圖1(a)可見，通常的光致發光過程中，材料吸收較高能量(較短波長)的激發光後，產生低能量的發射光，即發射光的波長長於激發光。與普通光致發光過程不同的是，.上轉 換發光具有較大的反Stokes位移，材料中需存在較長壽命的中間能級或亞穩態，同時實現上轉換發光也需要較強的激發光源。若材料能

夠實現上轉換發光，就可能將肉眼看不見的長波長的光轉換為可見光，在雷射、顯示、防偽等信息科學和技術領域將有著重要的應用，也將在生物醫學等方面開拓新的研究和應用領域。

早在1931年，Goppert-Meyer 就已從理論上預言了多光子激發過程中。基

於雷射技術的建立和發展[2]，上轉換材料及其機理研究才得以系統開展。20世紀60年代，Auzel等詳細研究了稀土離子摻雜材料的激發態吸收、能量傳遞及合作敏化引起的上轉換發光現象[。1979 年，Chivian 報導了上轉換發光中的光子雪崩現象[1]。1971 年，Johnson等在BaYb2F:Yb: Ho和BaYb2FgYb: Er體系，77K下用閃光燈泵浦首次實現了綠色上轉換雷射[5]。隨著對短波長全固態雷射器的發展需求，上轉換雷射材料研究在近20年更加引人注目。基於泵浦源、

上轉換材料的研究發展，以及對雷射機理認識的深人，目前含稀土材料體系的，上轉換雷射已覆蓋了整個可見光波段[6]。

1986年，Silversmith 在YAIO3 : Er體系首次實現了連續波上轉換雷射[]; 1987 年，Antipenko 在BaYb2Fg : Er體系首先實現了室溫下的上轉換雷射8]。結合光纖技術材料的發展，上轉換雷射器的輸出功率和能量效率得到了顯著的提高[9]，目前以稀土摻雜的重金屬氟化物玻璃光纖等體系已經實現了室溫下的上轉換連續波雷射輸出[10]。

近年來，人們拓展了對上轉換材料體系的研究，在有機染料、半導體等體系

也取得了突出的研究進展11.12]。伴隨著納米科學和技術的迅猛發展，上轉換發光材料的可控制備和生物應用又成為新世紀無機材料科學中的研究熱點[13~15]，正是由於上轉換發光材料在材料科學、信息科學、納米科學和生命科學，以及在全固體雷射、生物醫學診斷、高性能顯示等相關前沿技術中的重要作用，使領域的研究吸引了不同學科、不同領域的科學和技術研究者。

目前，最具價值的上轉換材料依然是稀土摻雜的金屬氟化物體系[16]，上轉

換發光可由激發態吸收或連續能量傳遞產生。圖2為該體系摻雜稀土離子Yb3+分別與Er+和Tm3+之間的能量傳遞及上轉換發射過程示意圖，通過987nm中等強度的近紅外連續雷射激發就可以觀察到來自Er2+ 的紅色或綠色發光，以及.來自Tm2+的藍色發光。該類與共摻雜的稀土離子上轉換發光是通過處於激發態的Yb*+向Er3+或Tm3+的能量傳遞實現的，其中Er2+或Tm3+的發光可通過兩個或兩個以上光子的吸收過程實現。

目前上轉換材料方面的重要科學問題在於如何獲得能量轉換效率高、能夠由

低功率密度的雷射激發、在室溫下具有高效上轉換發光的材料體系，並研究其發光過程和機理，發展新型器件，開拓其在相關技術領域的應用。

主要的研究方向包括:

(1) 探索新型上轉換發光材料體系，研究不同組成(有機固體、高分子固

體、無機晶態材料)、形態(單晶、納米晶及其有序組裝、薄膜)材料及原理器

件的可控制備方法;

(2)將理論和實驗研究相結合，通過測量上轉換發光在脈衝激發後發射強度

隨時間變化的動力學過程，研究相關材料的激發和能量傳遞機理，為材料應用和新材料探索提供基礎;

(3)充分利用上轉換材料的性質特點，開拓其在信息、生物醫學等領域的

應用。