氟離子濃度對(duì)稀土摻雜上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料形貌及熒光壽命的影響

劉珊珊　徐　征,*　趙謖玲　梁志琴　朱　薇

(1北京交通大學(xué)發(fā)光與光信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100044；2北京交通大學(xué)光電子技術(shù)研究所，北京100044)

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氟離子濃度對(duì)稀土摻雜上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料形貌及熒光壽命的影響

劉珊珊1,2徐征1,2,*趙謖玲1,2梁志琴1,2朱薇1,2

(1北京交通大學(xué)發(fā)光與光信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100044；2北京交通大學(xué)光電子技術(shù)研究所，北京100044)

利用溶劑熱法制備了Yb3+、Er3+共摻的NaYF4上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同F(xiàn)－離子對(duì)納米晶的晶型和粒徑尺寸起著重要的作用。低F－離子濃度下，NaYF4納米材料的粒徑尺寸隨F－離子濃度的增加逐漸變小且趨于均一；高F－離子濃度下，六方晶相的形成受到抑制，上轉(zhuǎn)換納米晶出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。在一定濃度范圍內(nèi)，F(xiàn)－離子的濃度有利于促進(jìn)熒光發(fā)射。同時(shí)F－離子濃度對(duì)熒光壽命也有顯著的影響。

上轉(zhuǎn)換發(fā)光；納米材料；NaYF4；形貌控制；熒光壽命

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1　引言

上轉(zhuǎn)換發(fā)光是指吸收多個(gè)低能量光子后發(fā)射出一個(gè)高能量光子的反Stokes發(fā)光現(xiàn)象1，上轉(zhuǎn)換發(fā)光過程主要包括激發(fā)態(tài)吸收、能量傳遞上轉(zhuǎn)換以及光子雪崩三種發(fā)光機(jī)制2。近30年來(lái)，隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，稀土摻雜上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料的合成及應(yīng)用也逐漸嶄露頭角。稀土摻雜上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，如毒性低、化學(xué)穩(wěn)定性及光穩(wěn)定性好、發(fā)射帶隙窄，及熒光壽命長(zhǎng)等，特別是紅外光作為激發(fā)光源使得上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料具有較厚的光穿透深度、對(duì)生物組織幾乎無(wú)損傷和無(wú)背景光干擾，從而在生物免疫層析、標(biāo)記及成像、靶向腫瘤治療等3－6方面的應(yīng)用備受青睞。此外，上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料還廣泛應(yīng)用在固態(tài)激光7、三維立體成像8、熒光傳感器9、太陽(yáng)能電池10等方面，因此成為繼傳統(tǒng)熒光染料和硫化物量子點(diǎn)之后的第三代新型熒光納米材料。

到目前為止，氟化物基質(zhì)的NaYF4上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料具有較低的聲子能量和較高的化學(xué)穩(wěn)定性，因此是目前公認(rèn)的發(fā)光效率最高的上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料11－12。NaYF4納米材料存在兩種晶相：立方相和六方相，六方相有更高的發(fā)光效率13。因此，如何提高制備產(chǎn)物中六方相氟化物上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料的含量十分重要。

納米材料的粒徑和形貌對(duì)其發(fā)光性能有至關(guān)重要的作用14－15。目前，可以通過多種方法，如共沉淀法16、溶膠-凝膠法17－19、溶劑熱法20－21或水熱法22－24等制備不同形貌與結(jié)構(gòu)的NaYF4晶體。除了制備方法外，離子摻雜濃度也會(huì)對(duì)NaYF4晶體的晶相、形貌以及發(fā)光性能產(chǎn)生很大的影響。已經(jīng)有很多研究報(bào)道稀土離子(如Yb3+、Er3+、Tm3+)的摻雜濃度對(duì)上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料的影響，然而探究F－離子濃度對(duì)NaYF4晶體發(fā)光性能和壽命的研究鮮有報(bào)道。

本文中，我們采用溶劑熱法制備了NaYF4:20% Yb3+/2%Er3+上轉(zhuǎn)換納米材料，重點(diǎn)研究了F－離子濃度的變化對(duì)材料形貌、晶相、光譜、發(fā)光壽命等性能的影響。

2　實(shí)驗(yàn)部分

2.1樣品制備

六水合氯化釔(YCl3·6H2O，99.999%，Sigma-Aldrich)，氯化鐿(YbCl3，99.998%，Sigma-Aldrich)，氯化鉺(ErCl3，99.995%，Sigma-Aldrich)，氫氧化鈉(NaOH，≥98%，Sigma-Aldrich)，氟化銨(NH4F，≥99.99%，Sigma-Aldrich)，油酸(OA) (CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH，A.R.，Sigma-Aldrich)，1-十八烯(ODE)(CH3(CH2)15CH=CH2，A.R.，Sigma-Aldrich)，甲醇(CH3OH，A.R.，Sigma-Aldrich)，環(huán)己烷(C6H12，A.R.，Sigma-Aldrich)，乙醇(CH3CH2OH，A.R.，北京化工廠)，去離子水(自制)，主要原料均直接使用，未做任何處理。

我們采用經(jīng)典的溶劑熱法制備了上轉(zhuǎn)換納米材料，具體方法如下：6 mL油酸(OA)、15 mL 1-十八烯(ODE)、0.78 mmol YCl3·6H2O、0.20 mmol YbCl3、0.02 mmol ErCl3置于50 mL雙口燒瓶中，在氬氣的氛圍中攪拌加熱至160°C形成均勻的溶液，待稀土離子充分溶解后再冷卻至室溫。隨后將2.5 mmol氫氧化鈉(NaOH)和不同氟化銨(NH4F)量的10 mL甲醇溶液慢慢加入之前冷卻下來(lái)的溶液中，攪拌30 min以確保所有F－離子被完全消耗。隨后將溶液加熱至100°C，保持30 min以蒸發(fā)掉多余的甲醇和水蒸氣。之后繼續(xù)升溫至300°C，在300°C下反應(yīng)1.5 h后，自然冷卻至室溫。將環(huán)己烷、無(wú)水乙醇和去離子水加入到所制得的混合液中進(jìn)行洗滌離心三次，最后放到80°C真空烘箱中烘干即得所需要的白色粉末樣品。其中NH4F的量分取為2、3、3.5、4、8、10、12和14 mmol。

2.2材料表征

X射線粉末衍射圖譜(以下簡(jiǎn)稱XRD)是采用Bruker D8 ADVANCE X射線衍射儀進(jìn)行測(cè)試，掃描間隔為0.02，掃描范圍是10°－80°。將環(huán)己烷中的樣品稀釋超聲分散，進(jìn)行制樣，用JEOL JEM-1400透射電鏡(TEM)觀測(cè)納米粒子的形貌。實(shí)驗(yàn)過程中還用到AL104電子天平，SZCL-2A磁力攪拌器，PS-60A超聲波清洗機(jī)，F(xiàn)luordlog-3分光光度計(jì)，K980D06FN 980nm半導(dǎo)體激光器，DPO 4104數(shù)字示波器，DZF-6020真空干燥箱，TG16-WS臺(tái)式高速離心機(jī)等設(shè)備。

3　結(jié)果與討論

圖1是不同F(xiàn)－離子濃度(F－離子摩爾數(shù)(n(F－)))下制備的NaYF4:20%Yb3+/2%Er3+上轉(zhuǎn)換納米晶的透射電鏡圖。可以看出，在低F－離子濃度情況下，制備的NaYF4納米材料為六角狀；隨著F－離子濃度的增加，材料的粒徑逐漸減小且趨于均一化。當(dāng)F－

離子濃度大于4 mmol時(shí)，隨著濃度的繼續(xù)增加，六方晶相的形成受到抑制，材料由六方相片狀結(jié)構(gòu)逐漸變?yōu)橹鶢罱Y(jié)構(gòu)；當(dāng)F－離子濃度過高時(shí)，上轉(zhuǎn)換納米晶出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。由此可見，不同F(xiàn)－離子濃度對(duì)納米晶的晶型和粒徑尺寸起著重要的作用。

圖1　摻雜不同F(xiàn)－離子摩爾數(shù)(n(F－))的NaYF4:20%Yb3+/2%Er3+納米晶的透射電鏡(TEM)圖Fig.1　Transmission electron microscope(TEM)images of NaYF4:20%Yb3+/2%Er3+withdifferent molar numbers of F－(n(F－))

在六方相NaYF4納米材料中，Na+離子和Y3+離子占據(jù)兩種低對(duì)稱性的陽(yáng)離子格位，晶體的對(duì)稱性較低，是熱力學(xué)穩(wěn)定相。隨著F－離子濃度的升高，材料由六方片狀結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱街鶢罱Y(jié)構(gòu)，這是因?yàn)榱骄褪怯闪鶄€(gè){100}相面和兩個(gè){001}相面組成，納米晶晶型最終是片狀結(jié)構(gòu)還是柱狀結(jié)構(gòu)取決于兩個(gè)相面方向的生長(zhǎng)速度，當(dāng){100}相面生長(zhǎng)速度大于{001}相面方向的生長(zhǎng)速度時(shí)，晶型表現(xiàn)為六方晶相片狀結(jié)構(gòu)；當(dāng){100}相面方向的生長(zhǎng)速度小于{001}相面的生長(zhǎng)速度時(shí)，納米晶的晶型表現(xiàn)為六方晶相柱狀結(jié)構(gòu)。而其生長(zhǎng)速度主要受兩個(gè)晶面族對(duì)表面活性劑和F－離子吸附劑量這兩方面的影響。在F－離子濃度較低時(shí)，{100}相面和{001}相面吸附的F－離子相對(duì)較少，所以幾乎不受F－離子濃度的影響，在{100}相面的化學(xué)勢(shì)相對(duì)較大，生長(zhǎng)速度較快則納米晶晶型表現(xiàn)為六方晶相片狀結(jié)構(gòu)；當(dāng)F－離子較大時(shí)，溶液中剩余的F－離子較多，所以兩相面上的F－離子劑量增加，{001}相面受到的影響更大，表現(xiàn)為在{001}相面上的生長(zhǎng)速度更快，因此導(dǎo)致最終的納米晶的相貌由六方晶相片狀結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱骄嘀鶢罱Y(jié)構(gòu)。

圖2是不同F(xiàn)－離子的濃度下NaYF4晶體的X射線衍射譜(XRD)圖。樣品衍射峰的峰位與標(biāo)準(zhǔn)六方晶相的各個(gè)衍射峰位相匹配，圖譜中沒有立方晶相的衍射峰。表明所制備的產(chǎn)物為六方晶相NaYF4納米晶體。可以看出，不同F(xiàn)－離子的濃度對(duì)NaYF4的晶相幾乎沒有影響。當(dāng)n(F－)大于10 mmol時(shí)，由圖可以明顯看出雜峰出現(xiàn)，原因解釋為F－離子濃度過量，生成YF3雜質(zhì)。

圖3為在980 nm波長(zhǎng)的激光激發(fā)下，不同F(xiàn)－離子濃度條件下制備的NaYF4納米晶體的光譜圖。在低F－離子濃度情況下，發(fā)光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)；隨著F－離子濃度的繼續(xù)增加，發(fā)光強(qiáng)度又顯著降低；在n(F－)為4 mmol時(shí)，發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到最大。當(dāng)n(F－)大于4 mmol后，發(fā)光強(qiáng)度顯著降低，其原因?yàn)镕－離子過量，開始出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，引起了發(fā)光中心的淬滅。因此在一定的濃度范圍內(nèi)，F(xiàn)－離子的濃度有利于促進(jìn)熒光發(fā)射。

圖2　摻雜不同n(F－)的NaYF4:20%Yb3+/2%Er3+納米晶X射線粉末衍射(XRD)圖Fig.2　X-ray diffraction patterns of NaYF4:20%Yb3+/2% Er3+with different n(F－)

在上轉(zhuǎn)換發(fā)光中，在低于“飽和”激發(fā)功率的條件下，材料的發(fā)射熒光強(qiáng)度I與激發(fā)光泵浦功率P之間滿足以下理論關(guān)系：

圖3　980 nm激發(fā)下?lián)诫s不同n(F－)的NaYF4:20%Yb3+/2% Er3+納米晶的上轉(zhuǎn)換熒光發(fā)光光譜(PL)圖Fig.3　Up-conversion fluorescence spectra of NaYF4:20% Yb3+/2%Er3+with different n(F－)under 980 nm excitation color online

式中，N表示發(fā)射一個(gè)光子所吸收的紅外激發(fā)光光子的數(shù)目。

通過對(duì)發(fā)射光積分強(qiáng)度與激發(fā)光泵浦功率作對(duì)數(shù)關(guān)系曲線，得到關(guān)系曲線的斜率即為N值。計(jì)算后如圖4所示，NaYF4的四個(gè)發(fā)光峰410、521、540和655 nm處發(fā)光峰的斜率分別為2.86、1.99、1.98和2.16，由此可以推斷藍(lán)光(2H9/2→4I15/2)為三光子吸收上轉(zhuǎn)換過程，而綠光(2H11/2→4I15/2，4S3/2→4I15/2)和紅光(2H9/2→4I15/2)為三光子吸收上轉(zhuǎn)換過程，由此可知F－離子的摻雜濃度對(duì)上轉(zhuǎn)換納米晶的發(fā)光機(jī)理幾乎無(wú)影響，實(shí)質(zhì)依然是Yb3+離子和Er3+離子之間的能量轉(zhuǎn)移。

圖4　980 nm激發(fā)下NaYF4:20%Yb3+/2%Er3+納米晶的上轉(zhuǎn)換熒光強(qiáng)度(I)與激發(fā)功率(P)的對(duì)數(shù)關(guān)系圖Fig.4　Logarithm plots of emission intensity(I)of NaYF4: 20%Yb3+/2%Er3+nanoparticles versus excitation power(P) under 980 nm excitation

熒光壽命是指在測(cè)定條件下熒光強(qiáng)度衰減到初始強(qiáng)度的1/e時(shí)所需要的時(shí)間。通過測(cè)定樣品的熒光衰減曲線，可以得到稀土離子特定能級(jí)的熒光壽命。一般情況下，熒光衰減曲線呈現(xiàn)單指數(shù)或者雙指數(shù)衰減。

圖5和表1為不同F(xiàn)－離子濃度條件下制備的NaYF4，其發(fā)光中心Er3+離子4S3/2→4I15/2能級(jí)躍遷的熒光衰減曲線及熒光壽命?？梢钥闯觯?dāng)n(F－)小于4 mmol時(shí)，熒光壽命隨F－離子濃度的增加而增大；當(dāng)n(F－)大于4 mmol而繼續(xù)增加時(shí)，熒光壽命減小。熒光壽命的這種變化，原因歸結(jié)為不同F(xiàn)－離子濃度影響納米晶的晶型結(jié)構(gòu)，晶型結(jié)構(gòu)影響激發(fā)態(tài)中心能級(jí)，從而影響熒光壽命。當(dāng)n(F－)小于4 mmol時(shí)，隨著F－離子濃度的增加，納米晶為六角晶型，尺寸逐漸減小且趨于均勻，壽命增加，在n(F－)=4 mmol時(shí)，對(duì)應(yīng)的壽命值最大；隨著F－離子濃度繼續(xù)升高，熒光壽命未測(cè)出，原因?yàn)檫^量的F－離子使納米粒子出現(xiàn)團(tuán)聚，發(fā)光強(qiáng)度太弱，從而熒光壽命未得出理想結(jié)果。

圖5　980 nm激發(fā)下?lián)诫s不同n(F－)的NaYF4:20%Yb3+/2% Er3+納米晶的Er3+:4S3/2→4I15/2能級(jí)躍遷的衰減曲線Fig.5　Luminescence decay curves of Er3+:S3/2→4I15/2transition in NaYF4:20%Yb3+/2%Er3+nanoparticles with different n(F－)under 980 nm excitation

表1　980 nm激發(fā)下?lián)诫s不同n(F－)的NaYF4:20%Yb3+/2% Er3+上轉(zhuǎn)換納米晶Er3+:4S3/2→4I15/2能級(jí)躍遷的熒光壽命Table 1　Lifetimes for individual 540 nm up-conversion emission of NaYF4:20%Yb/2%Er nanoparticles with different n(F－)under 980 nm excitation

4　結(jié)論

利用溶劑熱法以稀土氯化物為原料在不同F(xiàn)－離子濃度的條件下制備NaYF4:20%Yb3+/2%Er3+上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米晶，對(duì)所得的納米晶利用不同的測(cè)試手段對(duì)晶相、形貌及發(fā)光性能進(jìn)行表征。XRD表明，所制備的納米晶為六方相；PL譜表明在980 nm連續(xù)激光器激發(fā)下具有較強(qiáng)的上轉(zhuǎn)換發(fā)光。F－離子的濃度對(duì)于納米晶的粒徑和晶型結(jié)構(gòu)起著決定性的作用。F－離子濃度的增加能夠促進(jìn)納米晶的成核速度。隨著F－離子濃度的增加，六方晶相的粒徑尺寸變小且趨于穩(wěn)定；高的F－離子濃度，其生長(zhǎng)體系熱力學(xué)穩(wěn)定性較差，能促進(jìn)六方相納米晶的形成，但過高的F－離子濃度使六方晶相的NaYF4納米晶形貌由片狀結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘魻罱Y(jié)構(gòu)，其原因解釋為過高的F－離子濃度會(huì)吸附在納米晶表面造成{001}相面的生長(zhǎng)速度大于{100}相面的生長(zhǎng)速度。F－離子濃度影響納米晶的晶型結(jié)構(gòu)，晶型結(jié)構(gòu)影響激發(fā)態(tài)中心能級(jí)，從而影響熒光壽命。在低F－離子濃度下，熒光壽命隨F－離子濃度的增加而增大，在n(F－)=4 mmol時(shí)對(duì)應(yīng)的壽命值最大。實(shí)驗(yàn)中所制備的上轉(zhuǎn)換納米晶符合生物領(lǐng)域應(yīng)用的要求，具有良好的生物體外檢測(cè)的應(yīng)用前景。

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Effects of FConcentration on the Morphologies and Fluorescent Lifetimes of Ln3+-Doped Up-Conversion Nanocrystals

LIU Shan-Shan1,2XU Zheng1,2,*ZHAO Su-Ling1,2LIANG Zhi-Qin1,2ZHU Wei1,2
(1Key Laboratory of Luminescence and Optical Information(Beijing Jiaotong University),Ministry of Education,Beijing 100044, P.R.China;2Institute of Optoelectronics Technology,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,P.R.China)

Up-conversion luminescent NaYF4:Yb3+/Er3+nanomaterials were synthesized using a solvo-thermal method.It was determined that the size,morphology,and luminescence intensity of these nanoparticles can be controlled by varying the concentration of fluoride ions.Low reactant concentrations were found to always result in monodisperse,hexagonal nanocrystals,and to gradually and uniformly decrease the size of the NaYF4nanocrystals.In contrast,at higher concentrations,the nanocrystals grow to form a mixed phase.Fluoride ion concentrations over a specific range tend to promote the fluorescence emission of the material and may also significantly affect the fluorescent lifetime.

Up-conversion luminescent;Nanomaterial;NaYF4;Morphology control;Fluorescent llifetime

March 7,2016;Revised:May 6,2016;Published on Web:May 9,2016.

O649

10.3866/PKU.WHXB201605091

*Corresponding author.Email:zhengxu@bjtu.edu.cn;Tel:+86-10-51684858.

The projiect was supported by the National High Technology Research and Development Program of China(863)(2013AA032205),Natioal Natural Science Foundation of China(51272022,11474018),and Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education,China(20120009130005), and State Key Laboratory of New Technology of Float Glass Project in 2014 Open Topic,China.

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)(2013AA032205),國(guó)家自然科學(xué)基金(51272022),教育部博士點(diǎn)基金(20120009130005及浮法玻璃新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2014年開放課題資助項(xiàng)目

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