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1 第 39 卷 018 年 8 月 第 8 期 发光学报 CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCE Vol 39 No 8 Aug. ꎬ 018 文章编号 : (018) Cu + 离子共掺杂的 β NaYF Yb 3 + ꎬEr 3 + 晶体的制备与上转换发光性能的提高 王雪 1 ꎬ 兰民 ꎬ 杨怡舟 ꎬ 王丽丽 ꎬ 孙正昊 ꎬ 王文文 (1. 长春工业大学化学与生命科学学院 ꎬ 吉林长春 13001ꎻ. 长春工业大学材料科学与工程学院 ꎬ 吉林长春 13001) 摘要 : 采用水热法制备 Cu + 离子共掺杂的 β NaYF 0% Yb 3 + ꎬ% Er 3 + 上转换晶体 ꎮ 通过 X 射线衍射 (XRD) 及透射电子显微镜 (TEM) 数据分析 ꎬCu + 离子的掺杂不影响样品的晶相与形貌 ꎮ 通过荧光光谱观察 到 ꎬ 随着 Cu + 离子的掺杂摩尔分数从 0 增加到 0% ꎬ 紫外到可见的上转换发光强度先增大再减小 ꎮ 在掺杂 5% Cu + 离子时 ꎬβ NaYF 0% Yb 3 + ꎬ% Er 3 + 晶体呈现出最大的上转换发光强度 ꎮ 这是因为低价态的 Cu + 离 子掺杂导致 F - 空位的产生 ꎬ 降低了 Er 3 + 离子周围晶体场的对称性 ꎬ 从而有利于上转换发光的增强 ꎮ 关键词 : β NaYF ꎻ 上转换 ꎻ Cu + 离子 ꎻ 掺杂 中图分类号 : O8. 31 文献标识码 : A DOI: / fgxb Synthesis and Enhanced Upconversion Optical Properties of Cu + Ion Doped β NaYF Yb 3 + ꎬEr 3 + Crystals WANG Xue 1 ꎬ LAN Min ꎬ YANG Yi zhou ꎬ WANG Li li ꎬ SUN Zheng hao ꎬ WANG Wen wen (1. School of Chemistry and Life Sciencesꎬ Changchun University of Technologyꎬ Changchun 13001ꎬ Chinaꎻ. School of Materials Science and Engineeringꎬ Changchun University of Technologyꎬ Changchun 13001ꎬ China. ) Corresponding Authorsꎬ E mail: wanglili@ ccut. edu. cnꎻ sunzhenghao@ ccut. edu. cn Abstract: β NaYF 0% Yb 3 + ꎬ% Er 3 + upconversion crystals co doped with Cu + ion were pre pared by a solvothermal method. X ray diffraction ( XRD) and transmission electron microscopy ( TEM) analysis demonstrated that the phase and morphology of the samples did not change signifi cantly with increasing Cu + ion doping concentration. The upconversion emission intensities in the UV / violet and visible regions increased at first and then decreased with the increase of the dopant concentrations of Cu + ion from 0 to 0%. The β NaYF Yb 3 + ꎬEr 3 + microcrystals co doped with 5% Cu + ion exhibited the maximum upconversion emission intensity. It may be attributed to the substitution of Y 3 + ion by low valence Cu + ionꎬ which may generate F - vacancies. It decreased the crystal symmetry around the Er 3 + ionꎬ and favored the improvement of the upconversion lumines cence. Key words: β NaYF ꎻ upconversionꎻ Cu + ionꎻ doping 收稿日期 : ꎻ 修订日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金 ( )ꎻ 吉林省自然科学基金 ( JCꎬ JCꎬ JH)ꎻ 吉林省教育厅项目 (JJKH KJ) 资助 Supported by National Natural Science Foundation of China( )ꎻ Natural Science Foundation of Jilin Province( JCꎬ JCꎬ JH) ꎻ Project of Jilin Provincial Education Department( JJKH KJ)

2 第 8 期王雪 ꎬ 等 : Cu + 离子共掺杂的 β NaYF Yb 3 + ꎬEr 3 + 晶体的制备与上转换发光性能的提高 引言 近年来 ꎬ 稀土掺杂的上转换晶体由于它们独 特的光学性能引起了人们的关注 ꎬ 如 3D 显示器 固体激光器和太阳能电池 [1 ] ꎮ 与传统的有机染 料和半导体量子点发光材料等相比 ꎬ 上转换发光 晶体具有良好的化学稳定性 较低的生物损伤 较 深的组织穿透深度和低毒性等优点 [5 7] ꎮ 因此 ꎬ 它们在生物医学领域具有潜在的应用 ꎬ 尤其是在 生物成像 生物检测和光动力学疗法等方面 [8 10] ꎮ 但是 ꎬ 这些应用由于上转换发光效率低而受到限 制 ꎮ 目前 ꎬ 许多研究者已经多次尝试改进这一方 面 ꎬ 例如掺杂不同的稀土离子或惰性离子 ꎬ 改变晶 体的晶相 制备核壳结构等方法来增强荧 光 [11 13] ꎮ 这些努力为其应用提供了广阔的前景 ꎮ 众所周知 ꎬ 稀土离子的发光是基于它们的 f 电子在 f f 组态之内或 f d 组态之间的跃迁 [1] ꎮ 众多研究已经证明 : 通过改变稀土发光离子周围 的晶体场来提高晶体的上转换发光效率是非常有 效的 ꎮ 通过这种方式 ꎬMn + Zn + Fe 3 + 等一些惰 性金属离子可以被掺杂到各种上转换晶体中 ꎬ 进 [15 17] ꎮ 而提高了稀土发光离子的发光性能 NaYF 作为最受欢迎的低声子基质材料之 一 ꎬ 在过去几年引起了研究者们很大的兴趣 ꎮ 多 年来 ꎬ 许多研究者对稀土离子掺杂的 NaYF 上转 换晶体进行了广泛的研究 ꎬ 尤其是在提高它们的 上转换发光性能方面 [18] ꎮ Cu + 是一种二价过渡 金属离子 ꎬ 也是人体必需的微量元素之一 ꎬ 其离子 半径为 ꎬ 且比 Y 3 + 离子半径 ( ) 小 ꎮ 但是 ꎬ Cu + 离子被掺杂到 NaYF 基质 中 ꎬ 目前还少有报道 ꎮ 因此 ꎬ 本文通过简单的水热 法制备了 β NaYF 上转换晶体 ꎬ 且向晶体中掺杂 了不同浓度的 Cu + 离子 ꎮ 结果表明 ꎬ 在 Cu + 离 子掺杂摩尔分数为 5% 时 ꎬβ NaYF 上转换晶体表现出最大的上转换发光强度 ꎮ 实验. 1 实验试剂和仪器 所有化学品均为分析纯 ꎬ 无需进一步纯化即 可使用 ꎮ 硝酸钇 Y( NO 3 6H O(99. 99% ) 硝 酸镱 Yb ( NO 3 6H O ( % ) 硝酸铒 Er(NO 3 6H O(99. 99% ) 购自山东鱼台有限 公司 ꎮ 氯化铜 CuCl 6H O(99. 99% ) 乙二胺四 乙酸 C 10 H 16 N (EDTA) 氟化钠 (NaF) 由北京化工 厂提供 ꎮ 所有试剂都直接用于化学反应 ꎬ 未经进 一步提纯处理 ꎮ 为了鉴定样品结晶相 ꎬ 用粉末衍射仪 ( Rig aku RU 00b) 进行 X 射线衍射 (XRD) 分析 ꎬ 使用 Ni 过滤的 Cu Kα 辐射 ( λ = )ꎮ 通过 透射电子显微镜 ( TEMꎬHitachi H 600) 研究样品 的尺寸和形态 ꎮ 使用 980 半导体激光器 (LD) 作为激发源 ꎬ 用 Hitachi 荧光光谱仪 F 500 记录 紫外 / 紫色和可见的上转换发射光谱 ꎮ 所有测试 均在室温下进行 ꎮ. 样品制备 我们通过简单的水热法合成了掺杂有 Yb 3 + Er 3 + 和 Cu + 离子的 0. 5 mmol β NaYF 晶体 ꎮ 首 先 ꎬ 称取 g EDTA 溶于 8 ml 去离子水中 ꎬ 在室温下充分溶解 ꎮ 然后 ꎬ 向溶液中分别加入一 定比例 (n(y 3 + ) n(yb 3 + ) n( Er 3 + ) n( Cu + ) = (78 ~ x% ) 0 x% ) 的稀土硝酸盐水溶液和 Cu + 离子水溶液 ꎮ 在匀速搅拌 30 min 后 ꎬ 将 NaF 溶液 (NaF / Y 3 + 的量比为 8 1) 加入混合物中并搅 拌 30 minꎮ 然后将溶液转移到 5 ml 聚四氟乙烯 衬里 ꎬ 放入到不锈钢反应釜中 ꎬ 密封 ꎬ 并在 180 的烘箱中反应 1 hꎮ 冷却至室温后 ꎬ 通过离心分 离沉淀物 ꎬ 依次用去离子水和乙醇洗涤 ꎬ 然后在 80 干燥 8 hꎬ 获得白色粉末的样品 ꎮ 3 结果与讨论 3. 1 结构与形貌表征 图 1 ( a) 是不同浓度 Cu + 离子掺杂的 β NaYF 晶体的 XRD 图谱 ꎮ 所有衍射峰的位置均 与 β NaYF 的标准卡片 ( JCPDS No ) 一 致 ꎬ 表明合成的是纯六角相 NaYF 晶体 ꎮ 这同时 也表明 Cu + 离子的掺杂并没有对 β NaYF 晶相 产生影响 ꎮ 如图 1(b) (c) 所示 ꎬ 衍射峰 (01) 与 (100) 的峰值随着 Cu + 离子掺杂浓度的升高 ꎬ 逐 渐向较大的角度偏移 ꎮ 根据布拉格定律 dsinθ = nλ(d 为晶面间距 ꎬλ 为 X 射线的波长 ꎬn 为衍射 级数 )ꎬ 当越来越多 Y 3 + ( ) 离子被小半 径的 Cu + ( ) 离子取代 ꎬ 相应的晶格常 数略微收缩 ꎬ 晶面间距减小 ꎬ 峰值向 θ 角度增大的 方向偏移 ꎬ 这个结果与 Mo 3 + 离子掺杂到 β NaYF 晶体中的报道是一致的 [19] ꎮ

3 1084 a 发 (100) (01) b Intensity / a. u. 0% Cu+ 30% Cu + 20% Cu + 光 和红色( ~ 650 nm) 5 个发射峰ꎬ分别来自于 Er3 离子由激发态4 G11 / 2 2 H9 / 2 2 H11 / 2 4 S3 / 2 和4 F9 / 2 向基 态4 I15 / 2 能级的辐射跃迁ꎮ 可以看出 Cu2 离子的 7% Cu+ 掺杂不会改变 Er3 离子的基本发射峰ꎮ 从图 3 5% Cu+ 的插图中可以看出ꎬ随着 Cu2 离子掺杂摩尔分数 3% Cu+ 0% Cu+ JCPDS No.16鄄33 NaYF 兹 / ( ) ( a) β NaYF4 20 Yb3 ꎬ2 Er3 ꎬx Cu ( x 0ꎬ3ꎬ 从 0 增加到 5 ꎬ 上转换发光强度也逐渐提 高ꎮ 其中ꎬ绿色和红色发光强度比没有掺杂 Cu2 离子 的样品分别提高约为 1. 6 倍和 2 倍ꎮ 5ꎬ7ꎬ10ꎬ20ꎬ30ꎬ40) 晶体的 XRD 图谱ꎻ( b) 掺杂不同 浓度 Cu2 离子样品的(100) 衍射峰位的偏移程度ꎻ Intensity / a. u. ( c) 掺杂不同浓度 Cu2 离子样品的(201) 衍射峰 位的偏移程度ꎮ Fig. 1 Rations of enhancement 图1 第 39 卷 报 紫色( ~ 408) 绿色( ~ 520 nm) 绿色( ~ 538 nm) c 10% Cu+ 10 学 ( a) XRD patterns of β NaYF4 20 Yb3 ꎬ2 Er3 ꎬ x Cu ( x 0ꎬ 3ꎬ 5ꎬ 7ꎬ 10ꎬ 20ꎬ 30ꎬ 40 ). ( b) centration. ion con 图 2 是 β NaYF4 20 Yb3 ꎬ2 Er3 ꎬx Cu2 ( x 0ꎬ 3ꎬ 5ꎬ 7ꎬ 10ꎬ 20ꎬ 30ꎬ 40) 晶体的透射电镜 照片ꎮ 可以 看 出ꎬ 随 着 Cu2 离 子 掺 杂 浓 度 的 提 高ꎬ晶体的晶形一直保持六棱柱形态ꎮ a 0% Cu+ b 3% Cu+ c 5% Cu+ d 0% Cu+ 3% Cu+ 5% Cu+ 7% Cu+ 10% Cu+ 0% Cu+ 30% Cu+ 0% Cu+ 1 S3/ I15/ 0 10 20 30 40 Cu+ mole fraction/% F9/ I15/ H11/ I15/ G11/ I15/H9/ I15/ ferent Cu2 ion concentration. ( c) (201) diffraction peak shift of the samples with different Cu 380 (100) diffraction peak shift of the samples with dif 2 姿 / 图3 在 980 nm 激 光 激 发 下ꎬ Cu2 离 子 共 掺 杂 的 β NaYF4 20 Yb3 ꎬ2 Er3 晶 体 中 上 转 换 发 光 光 谱ꎮ 插图是紫外 紫色 绿色和红色光发射强度与 Fig. 3 Cu2 离子掺杂摩尔分数的依赖关系ꎮ Upconversion luminescence spectra of β NaYF4 20 Yb3 ꎬ2 Er3 co doped with the Cu2 under 980 nm laser excitation. The inset is the depend 7% Cu+ ence of the enhancement factors of the UV / violetꎬ green and red emission intensities on the mole frac tion of Cu2 ion. 30 e 10% Cu + 滋m 滋m 滋m f 0% Cu g 30% Cu h 0% Cu 滋m 滋m 滋m G7/,K15/,G9/ G11/ H9/ F3/, F5/ F7/ H11/ S3/ F9/ I9/ Engergy/(103 cm-1) 滋m 滋m / 5/ FF 980 I11/ I13/ 图2 Fig. 2 3. 2 掺 杂 不 同 浓 度 Cu2 离 子 的 β NaYF4 20 Yb3 ꎬ 2 Er 晶体的透射电镜照片 TEM images of β NaYF4 20 Yb3 ꎬ2 Er3 crys tals with Cu2 doping 光谱特征 图 3 为在 980 nm 激光的激发下ꎬβ NaYF4 20 Yb ꎬ2 Er 晶体与 Cu 2 离子共掺杂的上 转换发光光谱ꎮ 这些发射光谱有紫外(~ 380 nm) 0 F7/ Yb3+ Er3+ I15/ 图4 Yb3 和 Er3 离子的能级图及可能的上转换发光 Fig. 4 Energy level diagram of Yb3 and Er3 ions and pos 机理 sible UC processes under 980 nm excitation β NaYF4 上转换晶体发光强度的提高主要是 由于晶体内 Er3 离子周围晶体场对称性的改变ꎮ 当掺杂少量 Cu2 离子进入 β NaYF4 晶体的主晶

4 第 8 期王雪 ꎬ 等 : Cu + 离子共掺杂的 β NaYF Yb 3 + ꎬEr 3 + 晶体的制备与上转换发光性能的提高 1085 格 ꎬY 3 + 离子可以被 Cu + 离子所替代 ꎮ 一方面 ꎬ 较 小半径的 Cu + 离子导致 β NaYF 晶体的晶格收 缩 ꎮ 另一方面 ꎬ 低价态的 Cu + 离子随机替换 Y 3 + 离子位点 ꎬ 为保持电荷平衡 ꎬ 产生 F - 空穴 ꎮ 两者 会降低晶体中敏化离子 Yb 3 + 和发光离子 Er 3 + 周围 的对称性 ꎮ 一般来说 ꎬ 低对称性有利于稀土元素打 破自身 f f 禁阻跃迁 ꎬ 提高发光离子 Er 3 + 的辐射跃 迁速率 ꎬ 从而有利于上转换发光的增强 [0 1] ꎮ 当 Cu + 离子掺杂浓度超过 5% ꎬ 越来越多的 Cu + 离子 占据 Y 3 + 离子位点或者间隙位置 ꎬ 导致缺陷中心增 加 ꎬ 进而导致了上转换发光的减弱 ꎮ 图 显示在 980 激光激发下 ꎬYb 3 + 和 Er 3 + 离子的能级图 ꎬ 以及有可能的上转换发光机制 ꎮ 首先 ꎬYb 3 + 离子在 980 激光激发下 ꎬ 从 F 7 / 能 级跃迁到 F 5 / 能级 ꎬ 然后 Yb 3 + 离子将能量传递给 Er 3 + 离子 ꎬ 使 Er 3 + 离子从 I 15 / 能级分别跃迁 到 I 11 / 和 F 7 / 能级 ꎬYb 3 + 离子自身跃迁回 F 7 / 能 级 ꎮ Er 3 + 处于 F 7 / 能级不稳定 ꎬ 可能无辐射弛豫 到 H 11 / 和 S 3 / 能级 ꎬ 再分别跃迁回 I 15 / 基态 ꎬ 发 射 50 ( H 11 / I 15 / ) 和 538 ( S 3 / I 15 / ) 绿光 ꎮ 红色 650 ( F 9 / I 15 / ) 上转换发光是 由于 Er 3 + 离子处于 S 3/ 能级时有可能进一步弛豫 到 F 9/ 能级 ꎬ 然后跃迁回基态 I 15/ 能级 ꎮ 另外 ꎬ 对于 紫色上转换发光 ꎬ 在跃迁到 H 9/ 能级有两个过程 : (1) 能量转移 F 5/ F 7/ (Yb 3 + ): F 9/ H 9/ (Er 3 + )ꎻ () 能量转移 F 5/ F 7/ (Yb 3 + ): S 3/ G 7 / (Er 3 + )ꎬ 然后快速无辐射弛豫到 G 11 / 和 H 9 / 能级 ꎬ 接着 分别跃迁至基态 I 15 / 能级 ꎬ 从而发射紫外 380 ( G 11/ I 15/ ) 和紫色荧光 08 ( H 9/ I 15/ )ꎮ 结论 本文采用水热法合成了掺杂不同摩尔分数 Cu + 离子 ( 0 ~ 0% ) 的 β NaYF 0% Yb 3 + ꎬ % Er 3 + 上转换发光晶体 ꎮ 通过 XRD 图谱与 TEM 透射照片显示 ꎬ 所有这些晶体具有相同的结晶相 与形貌 ꎮ 在 Cu + 离子摩尔分数为 5% 时 ꎬ 样品呈 现出最大的上转换发光强度 ꎬ 其中 ꎬ 绿色和红色发 光强度比没有掺杂 Cu + 离子的样品分别提高约 为 1. 6 和 倍 ꎮ 这是由于低价态 小半径的 Cu + 离子掺杂替换 Y 3 + 离子位点 ꎬ 产生了 F - 空穴以及 晶格收缩 ꎬ 从而打破了 Er 3 + 离子周围的晶体场的 对称性 ꎬ 进而提高了上转换发光强度 ꎮ 参考文献 : [ 1 ] CHAN E Mꎬ HAN Gꎬ GOLDBERG J Dꎬ et al.. Combinatorial discovery of lanthanide doped nanocrystals with spectrally pure upconverted emission [ J]. Nano Lett. ꎬ 01ꎬ 1: [ ] LV Cꎬ DI Wꎬ LIU Zꎬ et al.. Synthesis of porous upconverting luminescence alpha NaYF Ln 3 + microspheres and their potential applications as carriers [ J]. Dalton. Trans. ꎬ 01ꎬ 3: [ 3 ] QIU Pꎬ ZHOU Nꎬ CHEN Hꎬ et al.. Recent advances in lanthanide doped upconversion nanomaterials: synthesisꎬ nano structures and surface modification [ J]. Nanoscaleꎬ 013ꎬ 5: [ ] SHEN Jꎬ CHEN Gꎬ WU A Mꎬ et al.. Engineering the upconversion nanoparticle excitation wavelength: cascade sensitiza tion of tri doped upconversion colloidal nanoparticles at 800 [ J]. Adv. Opt. Mater. ꎬ 013ꎬ 1: [ 5 ] WU Sꎬ DUAN Nꎬ MA Xꎬ et al.. Simultaneous detection of enterovirus 71 and coxsackievirus A16 using dual colour up conversion luminescent nanoparticles as labels [ J]. Chem. Commun. ꎬ 01ꎬ 8: [ 6 ] CHEN Gꎬ QIU Hꎬ PRASAD P Nꎬ et al.. Upconversion nanoparticles: designꎬ nanochemistryꎬ and applications in ther anostics [ J]. Chem. Rev. ꎬ 01ꎬ 1: [ 7 ] AUZEL F. Upconversion and anti Stokes processes with f and d ions in solids [ J]. Chem. Rev. ꎬ 00ꎬ 10: [ 8 ] WU Sꎬ DUAN Nꎬ SHI Zꎬ et al.. Simultaneous aptasensor for multiplex pathogenic bacteria detection based on multicolor upconversion nanoparticles labels [ J]. Anal. Chem. ꎬ 01ꎬ 86: [ 9 ] HUANG Xꎬ LI Bꎬ PENG Cꎬ et al.. NaYF Yb / Er@ PPy core shell nanoplates: an imaging guided multimodal platform for photothermal therapy of cancers [ J]. Nanoscaleꎬ 016ꎬ 8(): [10] LIU Kꎬ LIU Xꎬ ZENG Qꎬ et al.. Covalently assembled NIR nanoplatform for simultaneous fluorescence imaging and pho todynamic therapy of cancer cells [ J]. ACS Nanoꎬ 01ꎬ 6: [11] WANG Fꎬ HAN Yꎬ LIM C Sꎬ et al.. Simultaneous phase and size control of upconversion nanocrystals through lanthanide

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