[發明專利]一種基于微納諧振結構對摻稀土材料上轉換發光實現量子調控的方法

在審

• 申請號: 202210081231.4
• 申請日: 2022-01-24
• 公開（公告）號: CN114709704A
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發明（設計）人: 孫志軍;羅雯;徐峰
• 申請（專利權）人: 廈門大學深圳研究院
• 主分類號: H01S3/08
• 分類號: H01S3/08;H01S3/16;C09K11/85
• 代理公司: 廈門市天富勤知識產權代理事務所(普通合伙) 35244
• 代理人: 顧克帥

本發明公開一種基于微納諧振結構對摻稀土材料上轉換發光發光實現量子調控的方法，通過諧振模式的調制，抑制發光通道的輻射躍遷，促使處于各激發態的粒子重新分布，包括通過不同激發態間粒子的能量轉移和非輻射躍遷等過程，當微腔的共振波長處于納米粒子發射波長時，使被允許的一個通道的激發態聚集更多的粒子數，從而增強其發光，通過對微納諧振腔內光場模式的修正，通過諧振模式來對多能級間的多步電子躍遷過程(包括輻射和非輻射躍遷)進行量子調控；當微腔的共振波長處于納米粒子發射波長時，會增強該處的上轉換發光強度，而抑制其它不需要發射波長的上轉換發光以此抑制不需要的發光過程，而助長所需要特定波長處的發光過程，從而實現單色發光。

技術領域

本發明涉及一種發光技術，特指對摻稀土材料上轉換發光的控制方法。

背景技術

近年來，由于稀土鑭系元素具有激發態能級壽命長、能級階梯分布等特點， 摻雜鑭系離子的上轉換發光材料獲得了大量研究者的關注，并逐步顯露出其在 生物標記和成像、照明、三維立體顯示、激光、太陽能電池等多方面的應用價 值。在上轉換發光過程中，激活劑通常是作為發光中心而被摻入的離子。上轉 換發光過程是指發光中心吸收兩個或多個低能量光子，將基態電子激發到較低 的激發態，通過激發態吸收或非輻射能量傳遞等過程，使電子從高能級躍遷到 基態或低能級，從而輻射出高能量的光子。圖1為Yb³⁺/Er³⁺離子的能級圖并展 示了可見光范圍內主要涉及的上轉換發光過程。圖中實線、虛線、折線分別代 表輻射躍遷和激發、能量傳遞、無輻射弛豫過程。在近紅外光(λ～980nm)的 激發下，Yb³⁺離子吸收光子從基態2F_7/2躍遷到激發態2F_5/2，隨后將能量傳遞到 Er³⁺離子的不同能級，位于各個激發態的Er³⁺離子通過多步的多光子無輻射弛豫 和輻射弛豫最終回到基態，并發出可見光。其中Er³⁺離子從4F_9/2到4I_15/2能級的 躍遷，發射出中心波長在650nm的紅色熒光，從4S_3/2或2H_11/2到4I_15/2能級的 躍遷發射出中心波長520nm或540nm的綠色熒光。通常在980nm激發下，通過 Yb³⁺的敏化作用和Yb³⁺、Er³⁺間的相互作用，還會促進Er³⁺從4I^13/2到基態的躍遷，發出1530nm的光。

由于上轉換發光是一個非線性過程，其發光過程往往涉及受激稀土離子在 多能級間的多步電子躍遷和多波長光子發射、以及相鄰離子間的能量轉移和淬 滅效應等(限制稀土離子摻雜濃度)，從而使摻稀土材料的發光效率(尤其是 其上轉換發光)一般較低，而難以滿足其在微光學器件中運用。如何提高上轉換 發光效率成為研究的一大熱點，除了優化納米材料的組成和晶體結構、對納米 晶進行包殼形成核-殼納米結構以外，還采取了其他各種措施來提高上轉換發光 的效率。其中，通過結構化的等離激元金屬納米結構來增強上轉換發光效率被 廣泛的研究。在這些研究中，強局域化的等離激元通常是非諧振的，或者是具 有寬共振帶的低階諧振。因此，表面等離激元的局域場增強被無選擇地作用于 所有感興趣的發射帶和激發光。這導致在發射波長處上轉換發光幾乎均勻地增 強。但是在許多上轉換發光的應用中，多色發光是不必要的，且更期望強的單 色發光。

發明內容

本發明的目的在于提供一種通過調控微納諧振腔實現上轉換發光轉換為音 色光的方法。