上转换发光是稀土发光材料的一种重要光学性质，它可以将低能量的光子（如近红外光）转换为高能量的光子（如可见光），其发光谱线丰富可调，因而在生物成像、诊疗、全色显示、信息存储与安全等领域具有广阔的应用前景。上转换发光机理研究为实现上述应用奠定了坚实基础，通过基质选择、晶体场调控、核壳结构设计、染料敏化等策略已经在多种掺杂材料体系获得了发射波长精细可调的上转换发光。然而目前相关研究主要基于传统的980 nm近红外激发波长或近期研发的808 nm波长，如何实现更远的近红外特别是红外II区响应的上转换发光对于稀土发光研究具有重要科学意义。

　　图1. 基于镱亚晶格的红外II区响应上转换发光

　　近日，华南理工大学周博教授和张勤远教授研究团队提出了一种可以有效实现红外II区响应的上转换发光机理模型（图1）。他们在多层核壳纳米结构中引入具有能量迁移特性的镱（Yb）亚晶格调控敏化剂铒（Er）与发光离子之间的能量作用过程，成功获得了包括Tm³⁺、Ho³⁺、Gd³⁺、Eu³⁺、Tb³⁺等多种稀土离子的上转换发光。实验结果表明，镱亚晶格既可以实现能量从敏化区向发光区的输运，同时也有效隔绝了敏化剂和发光离子之间因直接接触而产生的猝灭过程，从而有效促进了发光离子的发射。

　　进一步在铒晶格引入微量Ce³⁺可通过Ce³⁺-Er³⁺之间的交叉弛豫对敏化剂Er³⁺的各能级布居进行调控，从而有效抑制了可见光波段的发光，成功获得了红外I区的准单带发射。通过设计敏化层-迁移层-检测层构成的核壳结构深入探讨了镱晶格能量迁移的基本物理规律。该发光模型不仅可以实现一系列稀土离子的有效发光，而且相对于传统的短波长近红外激发波长，也获得了高达1219 nm的反斯托克斯位移紫外上转换发光（Gd³⁺：311 nm 发射）。此外，他们通过镱亚晶格调控Er³⁺的发光动力学，成功获得红-绿可调发光，在信息安全与防伪方面展现出应用潜力（图2）。

　　图2. 红绿发光调控与应用

　　相关研究成果“NIR II-responsive photon upconversion through energy migration in an ytterbium sublattice”发表在《自然·光子学》期刊上（Nature Photonics, 2020, 14, 12, 760-766, DOI: 10.1038/s41566-020-00714-6）。作者表示，该研究成功构建了一种可用于红外II区响应的新型上转换发光概念模型，可望进一步用于设计和开发新型高效上转换发光材料体系，同时也促进了微观尺度能量迁移和稀土发光物理本质的理解。

　　（摘自X-MOL）