氟化物上转换微纳米材料的液相合成和光学特性研究

论文摘要

稀土掺杂发光纳米材料在三维立体显示、发光器件、生物传感及防伪等诸多领域都有着广泛的应用前景。其中，稀土掺杂上转换发光纳米材料在生物标记及检测方面的独特优势更是引起了研究者广泛的兴趣。尤其以氟化物为基质体系的上转换纳米材料兼具上转换效率高和化学稳定性好的特点，近几年来成为了研究的热点之一。发展稀土掺杂氟化物纳米材料的合成方法、探索其生长机制、在纳米尺度上揭示电子跃迁机制和发光机理、深入研究其结构形貌与光学性能的关系等具有重要意义。本文通过湿化学方法，在水-乙醇-油酸-油酸钠体系中制备了形貌可控、粒径均一、结晶良好的NaGdF4基质的上转换纳米晶。通过改变掺杂稀土离子种类和离子浓度，所得到的纳米晶可以发射出多种颜色的上转换荧光，可能适于多色生物标记。该合成工艺为高质量氟化物纳米晶体的制备提供了一种新的思路。在水-乙醇-油酸-油酸钠中，合成了一系列MF2:Yb3+/Er3+(Tm3+)（M=Ca,Sr,Ba）上转换纳米材料。通过改变试验参数选择性地控制产物的晶型结构、形貌及尺寸，并利用多种检测手段对所合成样品的光学性质和结构特点进行表征。以SrF2:Yb3+/Er3+)为模型，系统、深入地研究了在不同晶体稳定剂下，对产物结构形貌和光学性能的影响，以及控制晶体在纳米尺度上的各向异性生长和形貌演变的结构因素和动力学因素。在改进的水-乙醇-油酸-中，控制合成了不同尺寸的BaYF5:Yb3+/Er3+)上转换纳米材料，并详细研究了纳米表面效应和纳米尺寸效应对光学性能的影响。此外，在未使用任何晶体稳定剂的条件下，通过改变氟源,反应温度和时间有效地控制合成不同形貌的BaYF5:Yb3+/Er3+)上转换材料。更重要的是，进一步探讨了结构形貌与光学性能的关系。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 稀土掺杂上转换材料简介
• 1.2 上转换发光机制
• 1.2.1 激发态吸收（Excited State Absorption, ESA）
• 1.2.2 能量传递（Energy Transfer, ET）
• 1.2.3 合作上转换（Cooperative Upconversion, CU）
• 1.2.4 “光子雪崩”过程（PA, Photon Avalanche）
• 1.3 基质材料对上转换发光的影响
• 1.3.1 氧化物体系
• 1.3.2 卤氧化物体系
• 1.3.3 卤化物体系
• 1.4 氟化物基质发光纳米材料的合成
• 1.4.1 水热/溶剂热合成方法
• 1.4.2 有机/无机前驱体热分解法
• 1.4.3 微乳液法
• 1.5 氟化物上转换纳米材料的研究方向
• 1.6 本研究工作的意义和主要内容
• 1.6.1 本研究工作的意义
• 1.6.2 本研究工作的主要内容
• 4 上转换纳米晶的合成与光学性质研究'>第二章 多光色 NaGdF₄上转换纳米晶的合成与光学性质研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验试剂和仪器
• 4:Yb³⁺/Er³⁺纳米晶的合成与光学性质'>2.3 NaGdF₄:Yb³⁺/Er³⁺纳米晶的合成与光学性质
• 2.3.1 材料合成
• 2.3.2 性能测试
• 2.3.3 形貌及结构表征
• 2.3.4 上转换荧光光谱分析
• 2.3.5 上转换发光机理
• 4 : Yb³⁺/Ln³⁺( Ln³⁺=Er³⁺,Tm³⁺)纳米晶的光学性能分析'>2.4 NaGdF₄ : Yb³⁺/Ln³⁺( Ln³⁺=Er³⁺,Tm³⁺)纳米晶的光学性能分析
• 2.4.1 上转换荧光光谱分析
• 2.4.2 上转换发光机理
• 2.5 小结
• 2（M=Ca,Sr,Ba）的液相合成与光学性能研究'>第三章 双掺稀土离子 MF₂（M=Ca,Sr,Ba）的液相合成与光学性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验试剂和仪器
• 2:Yb³⁺/Tm³⁺的合成与光学性能研究'>3.3 CaF₂:Yb³⁺/Tm³⁺的合成与光学性能研究
• 3.3.1 材料合成
• 3.3.2 性能测试
• 3.3.3 形貌与结构分析
• 3.3.4 上转换荧光光谱分析
• 3.3.5 上转换发光的机理探讨
• 2: Yb³⁺/Er³⁺的合成与光学性能研究'>3.4 SrF₂: Yb³⁺/Er³⁺的合成与光学性能研究
• 3.4.1 材料合成
• 3.4.2 性能测试
• 3.4.3 样品的 XRD 与 EDAX 分析
• 3.4.4 样品的形貌分析
• 3.4.5 样品的红外光谱分析
• 3.4.6 上转换荧光光谱分析
• 3.4.7 上转换机理分析
• 2:Yb³⁺/Er³⁺结构与光学性能研究'>3.5 BaF₂:Yb³⁺/Er³⁺结构与光学性能研究
• 3.5.1 形貌及结构分析
• 3.5.2 纳米晶的相变过程
• 3.5.3 上转换荧光光谱分析
• 3.5.4 上转换发光机理分析
• 3.6 本章小结
• 5:Yb³⁺/Er³⁺)上转换纳米晶的控制合成与光学性能研究'>第四章 小粒径 BaYF₅:Yb³⁺/Er³⁺)上转换纳米晶的控制合成与光学性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验试剂和仪器
• 5:Yb³⁺/Er³⁺的合成与光学性能研究'>4.3 BaYF₅:Yb³⁺/Er³⁺的合成与光学性能研究
• 4.3.1 材料合成
• 4.3.2 性能测试
• 4.3.3 形貌及结构表征
• 4.3.4 红外光谱和元素分析
• 4.3.5 反应温度及时间对纳米晶的影响
• 4.3.6 PH 值对纳米晶的影响
• 4.3.7 体系中油酸的作用
• 4.3.8 上转换光学性质分析
• 4.3.9 上转换发光机理
• 4.4 本章小结
• 5:Yb³⁺/Er³⁺上转换亚微米球的合成与光学性能研究'>第五章 BaYF₅:Yb³⁺/Er³⁺上转换亚微米球的合成与光学性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验试剂和仪器
• 5:Yb³⁺/Er³⁺的合成与光学性能研究'>5.3 BaYF₅:Yb³⁺/Er³⁺的合成与光学性能研究
• 5.3.1 材料合成
• 5.3.2 性能测试
• 5.3.3 形貌及结构表征
• 5.3.4 亚微米球的形成机理探讨
• 5.3.5 上转换光学性质分析
• 5.3.6 上转换发光机理
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 在学期间发表的学术论文与研究成果
• 致谢