基于纳米结构设计的上转换发光调控：从基础到前沿应用

稀土掺杂上转换发光材料具有优异的光子上转换性能和良好的物理化学性质，近年来在光学基础研究和各种前沿应用中引起了极大的关注。特别是上转换纳米粒子（UCNPs）的成功制备推动了光子上转换在发光机制、光谱调控和前沿应用的迅速发展，取得了一系列具有重要意义的研究成果。与传统的纳米粒子相比，多层核壳（Multi-layer core-shell, MLCS）纳米结构UCNPs是近年来开发的一类新型纳米材料，在粒径形貌、尺寸、成分、纳米结构和表面性质具有更好的灵活性和多功能性，提供了一个理想的可以灵活调控光子上转换性质的纳米平台，例如在单颗粒水平上调整发光颜色、荧光寿命以及多功能集成。此外，MLCS纳米结构也有助于实现纳米尺度上对镧系离子间相互作用和发光动力学的精确控制，为深入理解能量作用过程和稀土光谱学创造了条件。因此，阐明MLCS材料体系的设计原则，突出MLCS纳米结构在能量输运、微观尺度相互作用、光色/寿命调控和多功能应用集成中的重要性，对于进一步推动上转换发光领域的发展具有重要的科学意义。

 近日，华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室周博教授&张勤远教授团队从纳米结构的设计和合成、光学性质调控以及相关的新兴应用等方面系统评述了近年来稀土掺杂MLCS纳米发光材料的研究进展。文章从核壳结构的设计与合成出发，归纳了具备不同光功能作用的三种核壳结构设计及合成策略。与传统的发光纳米材料相比，MLCS纳米结构设计更加灵活，可以精确调控稀土离子的空间分布，进而实现发光增强、光色调控和寿命调节。MLCS纳米结构已被证明是在纳米尺度上精确控制稀土离子相互作用的有力工具，从而有助于构建一个纳米尺度的物理平台，从根本上阐释和理解镧系元素的发光行为和上转换动力学过程。针对多层核壳结构的上转换纳米发光材料的不同发光特性和功能化作用，文中也深入探讨了MLCS发光材料在立体显示、上转换激光、光存储、防伪、温度探针、生物成像及诊疗等前沿应用领域的应用。最后对研究前景和挑战进行了展望。

图1 稀土掺杂MLCS纳米结构发光调控与新兴前沿应用

图2 具有不同光谱调控功能的MLCS纳米结构设计

图3 实现光色正交发光的MLCS纳米结构设计

相关研究成果以“Controlling upconversion in emerging multilayer core-shell nanostructures: from fundamentals to frontier applications”为题发表在著名期刊Chemical Society Reviews上，论文的通讯作者为周博教授和张勤远教授，第一作者为博士毕业生刘松彬（现为江西理工大学稀土学院教师）。该项研究工作得到了国家自然科学基金等科研项目的资助。

论文链接：

S. Liu, L. Yan, J. Huang, Q. Y. Zhang*, and B. Zhou*, Chem. Soc. Rev., 51, 1729-1765 (2022).

https://doi.org/10.1039/D1CS00753J