用户速递| Advanced Materials: 华南理工周博教授团队通过交叉弛豫实现单颗粒上转换时空颜色调控

稀土上转换发光是一种重要的非线性反斯托克斯发光现象，在超分辨成像、光遗传、纳米温度传感、信息安全以及三维显示等领域具有重要应用。研究表明，调制离子之间的能量传递过程是调控发光的重要手段。其中交叉弛豫是一种典型的相互作用，往往容易导致发光衰减甚至猝灭。如何实现交叉弛豫介导的上转换光色调控，并揭示其中的光物理机制是本领域的一个挑战性课题。

  近日，华南理工大学周博教授团队在著名期刊Adv. Mater.上分发表了题为“Cross Relaxation Enables Spatiotemporal Color-Switchable Upconversion in a Single Sandwich Nanoparticle for Information Security”的文章。文章报道了一种基于交叉弛豫介导的上转换光色调控策略。设计了NaYF₄:Gd@NaYbF₄:Tm@NaYF₄三明治纳米核壳结构，通过调制Tm³⁺离子的交叉弛豫过程实现了时空调控的光色可切换发光。调节Tm³⁺离子掺杂浓度可改变离子间据进而调控交叉弛豫，在980 nm稳态激发时得到Tm³⁺的蓝色到红色的发光颜色转变。研究同时发现，交叉弛豫与自发辐射存在竞争，而交叉弛豫在时域上比自发辐射稍慢，采用脉冲激光非稳态激发实现了红-蓝发光颜色切换。本文深入探讨了高掺杂纳米系统中离子相互作用的时域特征和物理机制，特别是定义了“特征猝灭时间”用于定量描述交叉弛豫的时域特征。时空调控光色输出在信息安全、多模式防伪和纳米光子学等领域展现出重大应用潜力。

图1. 交叉弛豫介导的上转换发光调控示意图：a)交叉弛豫(W_CR)和自发辐射(A_r)的竞争；b)离子之间共振和非共振交叉弛豫；c)交叉弛豫速率(W_CR)与能量失配的关系(?E)；d) NaYF₄:Gd@NaYbF₄:Tm@NaYF₄三明治纳米结构及激发模式调控实现可调发光。

图2. 样品表征和发光性能：a) 样品表征；b)不同Tm³⁺浓度掺杂样品的发光光谱；c,d)发光强度和寿命变化；e) Tm³⁺离子之间的部分交叉弛豫过程。

图3. 稳态激发的光色调控：a,b) Tm³⁺浓度掺杂样品980 nm稳态激发的发射光谱及红-蓝比变化规律；c)不同掺杂浓度样品发光对应的CIE坐标值和发光照片；d) Yb³⁺浓度掺杂样品的红-蓝比；e)不同掺杂浓度时的发光和交叉弛豫示意图。

图4. 非稳态激发的光色调控：a,b)不同脉宽980 nm激光激发的发射光谱、对应的CIE坐标以及发光照片；c-f)发射峰的暂态曲线；g)发光层厚度变化样品在稳态激发时的红-蓝比和在非稳态激发时的蓝-红比；h)脉冲调控的可能动力学过程

图5. 前沿应用：a)稳态防伪演示；b)脉冲激发的多模式防伪；c)时域信息存储。

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https://doi.org/10.1002/adma.202310524

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