上转换发光材料
上转换材料及其发光机理
无辐射弛豫达到发光能级,由此跃迁到基态放出一可见
光子,
发光要求 为了有效实现双光子或多光子效应,发光中心的
亚稳态需要有较长的能级寿命,稀土离子能级之间的跃迁属 于禁戒的f-f 跃迁,因此有长寿命,符合此条件，
能级3-2之间能量差与能级2-1之间的能量差相等,若某一辐射的 能量与上述能量差一致,则会发生激发,离子会从1激发到2,如果 能级2的寿命不是太短,则离子从2激发到3.最后就发生了从3到1 的发射，
1、样品制备与光谱测试
NaOH吸收SiF4
11
2、激发机理
Er3+的绿色发射,由基态经由4I11/2到4F7/2能记得 两步激发,随后无辐射衰减到2I11/2和4S3/2能级, 最后辐射跃迁回基态,发出绿光
Er3+的红色发射： A、由4S3/2能级经无辐射衰减到红色发射的 4F9/2能级 B、 Er3+接受Yb 3+传递来的三个光量子,由 4S3/2能级激发至2G7将多余能量逆传递给 Yb 3+ C、 Er3+在第一步激发后,从4I11/2无辐射衰减到 4I13/2,再激发到红色发射的4F9/2能级
4
实际的上转换过程
能量传 递机理, 离子A 将能量 传递给 离子B, 从而能 够从更 高能级 发射
两步 吸收 机理, 仅由 一个 离子 完成
协同敏 化机理, 两个A离 子将能 量传递 给C离子, 由C的激 发产生 发射
协同发光 机理,将两 个A离子 的激发能 量结合,形 成一个产 生发射的 光量子
上转换材料及其发光机理
主要内容
1
上转换机理
2
上转换材料
3
实例分析
2
一、上转换机理
上转换材料 是一种红外光激发下能发出可见光的发光材
上转换发光材料
1966年， 法国科学家Auzel在研究钨酸镱 钠玻璃时，意外发现，当基质材料中掺入 Yb3+ 离子时，Er 3+、 Ho3+和 Tm3+离子 在红外光激发时，可见发光几乎提高了两 个数量级，由此正式提出了“上转换发光” 的概念
发展 历程
1968年，制出第一个有实用价值的上 转换材料LaF3，一时间Yb,Er 成为研 究热点； 20世纪 90年代初： 在低温下(液氮温 度)在掺Er3+：CaF2晶体中上转换发光 效率高达25%
• 其中就上转换发光效率而言，一般认为氯化物＞氟化物＞ 氧化物，这是单纯从材料的声子能量方面来考虑的，这个 顺序恰与材料的结构稳定性顺序相反。
• NaYF4是目前上转换发光效率最高的基质材料
发展历程
1959年，Bloeberge用960nm的红外 光激发多晶ZnS ，观察到 525nm的 绿色发光。 1962年，此种现象又在硒化物中得 到了进一步的证实。
分类
• 根据掺杂离子分类可将上转换材料可分为单掺和双掺两种
• 单掺材料利用稀土离子f-f禁戒跃迁，效率不高。 • 双掺稀土离子则是以高浓度掺入一个敏化离子，其激发态
高于激活离子激发亚稳态，因此可将吸收的红外光子能量 传递给这些激活离子，发生双光子或多光子加和，从而实 现上转换过程。
分类
• 根据基质材料可分为5类，包括氟化物、氧化物、氟氧化 物、卤化物和含硫化合物。
上转换发光材料的应用（一）
• 基ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ上转换发光的活体成像技术
上转换发光材料的应用（一）
• 上转化纳米材料料在 肿瘤靶向成像中的应用
上转换发光材料的应用
• 生物成像 • 防伪技术 • 红外探测 • 显示技术
第8讲_上转换发光材料
第8讲_上转换发光材料上转换发光材料（Upconversion Luminescent Materials）上转换发光材料是一种在低能量激发下可以产生高能量发光的材料。
其发光机制与传统的下转换发光材料，如荧光粉和半导体量子点等有所不同。
下转换发光材料在受到外界激发后，会先吸收光子并将其转换为较低能量的光子发出。
而上转换发光材料则能够在较低能量的激发光下，将吸收的能量进行级联转换，最终发射出高能量光。
上转换发光材料主要有两种类型：硅基和非硅基的上转换材料。
硅基上转换材料已经取得了长足的进展，并在光伏领域中受到广泛关注。
硅基上转换材料主要的特点是其上转换效率高，可以将低能量的光激发转换为高能量的发射。
这种材料对于提高太阳能电池的转换效率有很大的潜力。
非硅基的上转换材料则具有更多的选择性，并且在通过适配光源和非线性光学过程实现上转换发光方面具有更大的优势。
上转换发光材料的发光机制可以通过光功率图谱和物质能级示意图进行解释。
光功率图谱可以揭示材料在不同波长下的发光强度，从而分析材料的上转换效率。
物质能级示意图则可以通过表示材料的能量级别来解释能量的转换过程。
上转换发光材料的能级示意图中通常会包含两个部分：上转换激发态和上转换发射态。
在受到激发光的作用下，材料的电子会从基态跃迁到激发态，并且会经过一个或多个中间态的跃迁，最终发射出高能量的光子。
另外，上转换发光材料还有一些其他的应用领域。
其中最显著的是生物医学领域。
由于上转换发光材料具有可调控的发光特性，可以在多种情况下应用于生物成像和药物传递等领域。
例如，上转换发光材料可以通过发光技术提供可见光对于红外光的扩展，从而实现更深度的生物组织成像。
此外，上转换发光材料还可以用于生产发出可见光的LED灯和激光等。
总之，上转换发光材料是一种具有广泛应用前景的新型材料。
其通过将低能量的光激发转换为高能量的发射，具有很高的上转换效率和可调控的发光特性。
上转换发光材料在太阳能电池、生物医学和光电器件等领域的应用前景广阔，将在未来的科研和产业中发挥重要作用。
上转换发光机理与发光材料整理
上转换发光机理与发光材料一、背景早在1959年就出现了上转换发光的报道，Bloemberge在Physical Review Letter上发表的一篇文章提出，用960nm的红外光激发多晶ZnS，观察到了525nm绿色发光。
1966年，Auzel在研究钨酸镱钠玻璃时，意外发现，当基质材料中掺入Yb3+离子时，Er3+、H03+和Tm3+离子在红外光激发时，可见发光几乎提高了两个数量级，由此正式提出了“上转换发光”的观点。
二、上转换发光机理上转换材料的发光机理是基于双光子或者多光子过程。
发光中心相继吸收两个或多个光子，再经过无辐射弛豫达到发光能级，由此跃迁到基态放出一可见光子。
为了有效实现双光子或者多光子效应，发光中心的亚稳态需要有较长的能及寿命。
稀土离子能级之间的跃迁属于禁戒的f-f 跃迁，因此有长的寿命，符合此条件。
迄今为止，所有上转换材料只限于稀土化合物。
三、上转换材料上转换材料是一种红外光激发下能发出可见光的发光材料，即将红外光转换为可见光的材料。
其特点是所吸收的光子能量低于发射的光子能量。
这种现象违背了Stokes定律，因此又称反Stokes定律发光材料。
1、掺杂Yb3+和Er3+的材料Yb3+(2F7/2→2F5/2)吸收近红外辐射，并将其传递给Er3+，因为Er3+的4I11/2能级上的离子被积累，在4I11/2能级的寿命为内，又一个光子被Yb3+吸收，并将其能量传递给Er3+，使Er3+离子从4I11/2能级跃迁到4F7/2能级。
快速衰减，无辐射跃迁到4S3/2，然后由4S3/2能级产生绿色发射（ 4S3/2 → 4I15/2 ），实现以近红外光激发得到绿色发射。
2、掺杂Yb3+和Tm3+的材料通过三光子上转换过程，可以将红外辐射转换为蓝光发射。
第一步传递之后，Tm3+的3H5能级上的粒子数被积累，他又迅速衰减到3F4能级。
在第二部传递过程中，Tm3+从3F4能级跃迁到3F2能级，并又快速衰减到3H4。
上转换发光材料
上转换发光材料上转换发光的概念：上转换发光是在长波长光激发下，可持续发射波长比激发波长短的光。
本质上是一种反-斯托克斯（Anti-Stokes）发光，即辐射的能量大于所吸收的能量。
斯托克斯定律认为材料只能受到高能量的光激发，发出低能量的光，换句话说，就是波长短的频率高的激发出波长长的频率低的光。
比如紫外线激发发出可见光，或者蓝光激发出黄色光，或者可见光激发出红外线。
但是后来人们发现，其实有些材料可以实现与上述定律正好相反的发光效果，于是我们称其为反斯托克斯发光，又称上转换发光。
上转换发光技术的发展：早在1959年就出现了上转换发光的报道，Bloembergc在Physical Review Letter上发表的一篇文章提出，用960nm的红外光激发多晶ZnS，观察到了525nm绿色发光。
1966年Auzcl在研究钨酸镱钠玻璃时，意外发现，当基质材料中掺入Yb离子时，Er3+、Ho3+和Tm3+离子在红外光激发时，可见发光几乎提高了两个数量级，由此正式提出了“上转换发光”的观点。
整个60－70年代，以Auzal 为代表，系统地对掺杂稀土离子的上转换特性及其机制进行了深入的研究，提出掺杂稀土离子形成亚稳激发态是产生上转换功能的前提。
迄今为止,上转换材料主要是掺杂稀土元素的固体化合物，利用稀土元素的亚稳态能级特性，可以吸收多个低能量的长波辐射，从而可使人眼看不见的红外光变成可见光。
80年代后期，利用稀土离子的上转换效应，覆盖红绿蓝所有可见光波长范围都获得了连续室温运转和较高效率、较高输出功率的上转换激光输出。
1994年Stanford大学和IBM公司合作研究了上转换应用的新生长点——双频上转换立体三维显示，并被评为1996年物理学最新成就之一。
2000年Chen 等对比研究了Er／Yb：FOG氟氧玻璃和Er／Yb：FOV钒盐陶瓷的上转换特性，发现后者的上转换强度是前者的l0倍，前者发光存在特征饱和现象，提出了上转换发光机制为扩散．转移的新观点。
上转换发光材料及发光效率研究及展望
上转换发光材料及发光效率研究及展望在现代的光电子技术领域，上转换发光材料是一种十分重要的材料，其可以将低能量的光转换为高能量的光，并且具有高效率的特点。
上转换发光材料在LED制造、激光技术以及生物分析等领域都有着广泛的应用，并且在未来还有很大的发展潜力。
上转换发光材料的主要原理是通过吸收低能量的光，并将其能量由非辐射跃迁转移到高能级激发态，从而发射出高能量的光。
一种常见的上转换发光材料是稀土离子掺杂材料，如YAG：Ce材料。
在这个材料中，铈离子可以吸收紫外光，并将其转移到高能级的氧空位，然后通过辐射跃迁释放出蓝光。
为了提高上转换发光材料的发光效率，目前的研究主要集中在两个方面：一是优化材料的结构和组分，二是改善能量传输的过程。
对于材料的结构和组分的优化，研究人员通过调节材料的晶格结构、掺杂浓度以及添加辅助剂等方式来提高发光效率。
例如，研究人员改变YAG材料的晶格结构，将其转变为纳米晶体，可以增强材料的上转换发光效率。
此外，通过调节掺杂浓度和添加适量的辅助剂，也可以有效地改善材料的上转换效果。
另一方面，改善能量传输的过程也是提高上转换发光效率的关键。
目前，研究人员主要采用能量转移杂化的方法来实现高效能量传输。
通过将异质结构、量子点等功能层引入上转换发光材料中，可以实现能量转移的优化，从而提高发光效率。
例如，在稀土离子掺杂材料中引入量子点层，可以实现能量级间的匹配，从而提高发光效率。
展望未来，上转换发光材料的研究还有很大的发展潜力。
一方面，随着材料科学与纳米技术的不断发展，研究人员可以设计和合成更加高效的上转换发光材料。
另一方面，随着激光技术、光通信以及生物分析等领域的快速发展，对于高效的发光材料的需求不断增加，这将进一步推动上转换发光材料的研究。
综上所述，上转换发光材料是一种具有广泛应用前景和发展潜力的材料。
通过优化材料的结构和组分以及改善能量传输的过程，可以提高材料的发光效率。
展望未来，上转换发光材料的研究将在材料设计和合成、激光技术等领域取得更大的突破，为光电子技术的发展做出更大的贡献。
上转换发光材料
上转换发光材料
上转换发光材料通常由激发态离子和基态离子组成。
当激发态离子吸收高能光
子后，它会跃迁到一个更高的能级，然后再通过非辐射跃迁回到基态，释放出低能量的光子。
这个过程中，能量的损失会导致发射出的光子的波长变长，从而完成了上转换发光的过程。
上转换发光材料有着许多优点。
首先，它可以实现高效的发光，能够将电能转
化为光能，从而提高能源利用率。
其次，上转换发光材料可以实现多色光发射，通过控制材料的成分和结构，可以实现不同波长的发光，满足不同应用的需求。
此外，上转换发光材料还具有较长的寿命和稳定的性能，能够在恶劣的环境下工作。
在实际应用中，上转换发光材料被广泛应用于LED照明和显示屏领域。
LED
照明具有节能、环保、寿命长等优点，而上转换发光材料可以实现LED的多色发光，从而满足不同场合对光的需求。
在显示屏领域，上转换发光材料可以实现高亮度、高对比度的显示效果，提高了显示屏的质量和观赏性。
此外，上转换发光材料还在生物成像、激光器、光通信等领域有着重要的应用。
在生物成像领域，上转换发光材料可以实现多色荧光标记，用于细胞和组织的成像和检测。
在激光器领域，上转换发光材料可以实现激光器的多波长输出，满足不同应用对激光波长的需求。
在光通信领域，上转换发光材料可以实现高效的光源和探测器，提高了光通信系统的传输速率和稳定性。
总的来说，上转换发光材料在现代科技领域有着非常广泛的应用前景，它不仅
可以实现高效的发光，还可以实现多色发光，具有较长的寿命和稳定的性能。
随着科技的不断发展，相信上转换发光材料会有更多的应用场景和发展空间。
上转换发光材料范文
上转换发光材料范文发光材料是一类具有发光性能的材料，广泛应用于照明、显示、传感等领域。
上转换发光材料是指通过吸收高能量的光子，然后发射出低能量的光子，实现能量的转换。
本文将从上转换材料的基本原理、发展历程，以及在照明、显示等领域的应用进行详细介绍。
上转换发光材料的基本原理是基于激发技术，通过上转换过程将吸收的高能量光子转换成低能量光子的发射，并且该过程是通过非线性光学效应实现的。
具体而言，上转换发光材料一般包含两个主要组分：吸收物和发射物。
吸收物可以吸收高能量的光子，并且通过与发射物之间的能量转移，将高能量的光子转换成低能量的光子。
而发射物则可以在吸收物的激发下，发射出相应的低能量光子。
早期的上转换发光材料主要是稀土元素化合物，如氧化物、硫化物等。
这些材料在经历激光束照射后，可以发射出光子，实现能量的转换。
然而，这些材料存在一些缺点，如低光转换效率、复杂的合成过程等，限制了其在实际应用中的推广。
因此，研究人员开始寻找新型的上转换发光材料。
近年来，基于半导体材料的上转换发光材料逐渐受到研究人员的关注。
这些材料具有较高的量子效率和较简单的制备方法，可以通过控制材料的组分、结构等来调控其上转换发光的性能。
例如，钙钛矿材料是一类具有良好上转换性能的半导体材料，其可利用偶极矩耦合效应和量子限制效应来实现能量的转换。
此外，量子点材料也是一类常用的上转换发光材料，通过调节量子点的大小和组分，可以实现对发光波长的精确控制。
在照明领域，上转换发光材料有望替代传统的荧光粉材料，实现更高效的照明效果。
传统的荧光粉材料主要是利用吸收紫外光，然后发射可见光的特性，存在一定的能量损耗。
而上转换发光材料可以通过调节吸收和发射波长之间的能量差，实现更高效的能量转换，从而提高光转换效率。
另外，上转换发光材料还可以实现发光波长的精确调控，通过调整材料的组分和结构，可以实现各种色温的照明效果。
在显示领域，上转换发光材料可以应用于量子点显示技术。
上转换发光材料的制备、性能及应用研究
上转换发光材料的制备、性能及应用研究上转换发光材料是一种具有广阔应用前景的新兴材料。
本文将介绍上转换发光材料的制备方法、性能特点以及其在不同领域中的应用研究进展。
上转换发光材料是一种能够将低能量的激发光转换为高能量的发光现象的材料。
它与传统的下转换发光材料不同，后者是将高能量的激发光转换为低能量的发光。
上转换发光材料在生物医学成像、显示技术、能源转换等众多领域具有广泛的应用前景。
上转换发光材料的制备主要包括物理法和化学法两种方法。
物理法主要利用高能粒子注入或离子注入的方式在晶格中引入能级，从而实现上转换发光。
化学法则是通过掺杂或配位原子的方式，改变晶格结构或能带结构，实现上转换发光效果。
这两种制备方法各有特点，可以根据具体需求选择合适的方法。
上转换发光材料的性能特点主要体现在以下几个方面。
首先，上转换发光材料具有较高的上转换效率，能够将低能量的激发光转换为高能量的发光，从而提高能量利用效率。
其次，上转换发光材料具有较宽的光谱范围，可以实现多色发光，满足不同应用的需求。
另外，上转换发光材料具有较长的激发寿命，对于进行长时间激发发光的应用具有较大优势。
最后，上转换发光材料还具有较高的光学稳定性和化学稳定性，能够在不同环境下稳定发光，具有较长的使用寿命。
在生物医学成像领域，上转换发光材料被广泛应用于生物标记和活体成像。
由于其较长的激发寿命和较宽的光谱范围，上转换发光材料可以通过激发发光的方式实现对生物样本的高对比度成像。
同时，上转换发光材料具有较高的光学稳定性和化学稳定性，能够在生物体内稳定发光，对生物体无毒副作用。
在显示技术领域，上转换发光材料能够实现全彩色显示。
由于其较宽的光谱范围，上转换发光材料可以发射多种颜色的发光，从而实现更丰富的显示效果。
另外，由于其较高的光学稳定性和化学稳定性，上转换发光材料能够在长时间使用中保持较好的显示效果。
在能源转换领域，上转换发光材料被应用于太阳能电池和发光二极管中。
上转换发光材料
8.3 稀土离子上转换发光机理
8.3.1 激发态吸收(ESA， Excited State Absorption)
激发态吸收过程(ESA)是在1959 Bloembergen等人提出的，其原理是同 一个离子从基态能级通过连续的多光子 吸收到达能量较高的激发态能级的一个 过程，这是上转换发光的最基本过程。
是ESA和ET相结合的过程，其主要特征为:
泵浦波长对应于离子的某一激发态能级与
其上能级的能量差而不是基态能级与其激 发态能级的能量差;
其次，PA引起的上转换发光对泵浦功率有
明显的依赖性，低于泵浦功率阀值时，只 存在很弱的上转换发光，而高于泵浦功率 阀值时，上转换发光强/ Yb3+ 共掺的硫属化物
(Ga2S3∶La2O3) 的上转换研究表明,当 把样品加热到155 ℃时,上转换发光的强 度达到极大值。高于或低于这个温度,发 光强度都有不同程度的降低。
这与传统的观点—温度越低越有利于提
高发光强度并不十分相符。
YVO4 晶体
YVO4 晶体在诸多方面所显示的优良性质,使其 作为激光晶体材料颇受重视。用808nmLD 和 658nm 染料激光器激发,都以553nm 附近绿 色上转换荧光为最强,410nm附近上转换荧光 峰相对较弱,两种情况下都不足绿光的10 %。 且绿光有较长的荧光寿命,在所测定的浓度范围 内随Er3 + 浓度的增加而减少;蓝光寿命较短, 且不随浓度变化。
近年来采用氟氧化物微晶玻璃(玻璃陶瓷) 来
当基体是一种既方便又有效的方法。利用成核 剂诱发氟化物形成微小的晶相,并使稀土离子优 先富集到氟化物微晶中,稀土离子就被氟化物微 晶所屏蔽,而不与包在外面的氧化物玻璃发生作 用。这样,掺杂的氟氧化物微晶玻璃既具有了氟 化物的高转换效率,又具有了氧化物的较好的稳 定性。
上转换发光材料研究进展与应用
上转换发光材料研究进展与应用近年来，上转换发光材料作为一种新型发光材料，在光学领域展现出了巨大的潜力。
其独特的能量转换机制使其在光电子学、显示技术和生物荧光成像等领域得到了广泛的应用和研究。
本文将介绍上转换发光材料的研究进展以及其在各个领域中的应用。
上转换发光材料是一种在外界激发下能将低能量光转换为高能量光的材料。
这种能量转换机制是通过将两个或多个低能量光子吸收而形成的。
在激发过程中，一个或多个电子从基态跃迁到激发态，然后释放出一个高能量光子来进行光致发光。
因此，相比于传统的发光材料，上转换发光材料具有更高的效率和更宽的发光波段范围。
上转换发光材料的研究进展得益于近年来对材料设计和合成技术的持续发展。
例如，通过改变晶体结构和化学组成，可以调控发光材料的能带结构和能量转换过程。
此外，利用纳米材料和量子点等新型结构也使得上转换发光材料的效率和发光特性得到了显著提升。
在激光技术方面，上转换发光材料是一种潜在的替代品。
由于其能够将多个低能量激光束转换为高能量激光束，上转换发光材料被广泛应用于频率倍频、调频和调制激光等领域。
此外，上转换发光材料还可用于制备光学放大器、光学透镜、摄像头和激光指示器等。
在显示技术方面，上转换发光材料可以用于提高显示器的颜色饱和度和亮度。
通过将上转换发光材料掺杂到液晶显示器或有机发光二极管中，可以实现更宽的发光波长范围和更高的发光效率。
此外，上转换发光材料还可以用于柔性显示器的制备，提供更大的设计灵活性和机械稳定性。
在生物荧光成像方面，上转换发光材料也正在发挥着重要作用。
由于其较长的发光寿命和较小的自发发光背景，上转换发光材料可以提高荧光成像的分辨率和对比度。
这使得其在生物领域的细胞成像、分子探测和医学诊断等方面具有广阔的应用前景。
总之，上转换发光材料作为一种新型的发光材料，具有高效率、宽波段和独特的光致发光特性。
在激光技术、显示技术和生物荧光成像等领域，上转换发光材料正在得到广泛的研究和应用。
上转换发光材料的组成
上转换发光材料的组成发光材料是指在外部激发下能够发射出可见光的物质。
在现代科技中，发光材料的应用范围非常广泛，从电视，手机屏幕到荧光车漆等等，几乎涉及到了人们生活和工作的各个方面。
而上转换发光材料的组成也是多种多样的，下面就来一一介绍。
一、荧光材料荧光材料是一种上转换发光材料，它的基本原理是：荧光材料吸收它外界的能量（如紫外线），然后将这些能量转化成更高的能量状态，最终将这些能量以可见光的形式释放出来。
荧光材料组成的种类很多，其中比较常见的有：铝石榴石，钐铝石榴石，钡钛矿等。
荧光材料的应用非常广泛，如生物荧光探针、灯具、车漆、显示器、激光医疗和光腔探测等等。
二、半导体材料半导体材料是指在温度为25℃时，导电性介于导体和绝缘体之间的材料。
它们的上转换发光原理是：当电子从价带跃迁到导带时，会释放出光子，从而实现上转换发光。
半导体材料组成的种类也很多，如GaN（氮化镓）、InGaN（氮化镓镓）、ZnS（硫化锌）等等。
半导体材料的应用范围非常广泛，如LED照明、OLED显示、光电子器件、光伏发电和半导体激光等等。
三、稀土材料稀土材料是指由稀土元素组成的材料，它们的上转换发光原理是：当能量被输入到稀土离子中时，离子的电子进入了激发态，通过非辐射跃迁或辐射跃迁，最终传递给基态，从而发出上转换发光。
稀土材料组成的种类也很多，如YVO4：Eu3+（钇钒酸铕）、Y2O3：Eu3+（氧化钇铕）等等。
稀土材料的应用范围也很广泛，如高功率激光器、LED照明、显示器和荧光试剂等等。
四、量子点材料量子点是一种尺度在纳米级别的半导体晶体，在近年来发展迅猛，其上转换发光原理是：当电子从载流子到达量子点表面时，会形成束缚态，这种态的能级结构导致了比原材料更高的激发和发射效率。
量子点材料组成的种类也很多，如CdSe（硒化镉）、CdTe（碲化镉）等等。
量子点材料的应用范围也非常广泛，如LED照明、生物检测、医学成像、显示及光电子器件等等。
稀土上转换发光材料
稀土上转换发光材料
稀土上转换发光材料是一种新型材料，具有低毒性、化学稳定性高、光稳定性优异、发射带窄、发光寿命长、光穿透力强、对生物组
织几乎无损伤、无背景荧光等优点，广泛应用于防伪识别、生物医
药、太阳能电池及照明等领域。
掺杂离子在制备上转换发光材料中扮演着极为重要的角色，当前掺杂研究主要集中在Yb3+、Eu3+ 和Er3+。
研究者采用水热合成法制备NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子，再通过X射线衍射、扫描电子显微镜及透射电子显微镜对它的尺寸、形貌和结晶度等方面进行研究。
实验表明，NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子在防伪识别方面具有稳定性、可靠性等特点，但仍受到影响程度可控的自然环境因素影响。
综合来看，其在防伪领域有着很大的应用前景。
有机上转换发光材料
有机上转换发光材料
有机上转换发光材料是一种新型材料，以其独特的性能引起广泛关注。
这种材料在光电子技术、生物成像、发光器件、显示技术等领域具有
广泛的应用前景。
本文将介绍有机上转换发光材料的基本原理、制备
方法、应用前景等方面内容。
有机上转换发光材料的基本原理是通过分子内的反转换(t-T)，将传统
发光方式由荧光(F)转变为磷光(P)。
在传统的荧光材料中，电子在吸收光子后，在几纳秒的时间内就退回到基态并释放出光子。
而在有机上
转换发光材料中，电子在吸收光子后，被激发到t-T的激发态，然后
在过渡态上停留更长的时间，进而释放出更多的光子，从而达到更高
的光效。
在制备有机上转换发光材料时，可以采用微波辐射、溶液混合等不同
的方法。
其中，以微波辐射为主的绿色制备方法具有快速、高效、晶
体品质好等优点。
通过采用不同的制备方法，可以得到不同形态、不
同性能的材料。
在应用方面，有机上转换发光材料具有广泛的应用前景。
在光电子技
术中，可以用于发光器件和太阳能电池等领域。
在生物成像方面，这种材料的稳定性和降低轻碳污染的特性，使其成为细胞成像等方面的理想材料。
在显示技术方面，这种材料的高发光效率和宽波长调制范围，也使其具有广泛的应用前景。
综上所述，有机上转换发光材料作为一种新型材料，具有独特的性能和广泛的应用前景。
在未来，随着科技的不断发展，这种材料将会有更广泛的应用。
稀土上转换发光材料
稀土上转换发光及其光电产品推荐目录一、什么是上转换发光？二、镧系掺杂稀土上转换发光的发光原理三、稀土上转换发光材料的应用四、相关光电产品推荐五、几个容易混淆的“上转换”概念一、什么是上转换发光？斯托克斯（Stokes）定律认为材料只能受到高能量的光激发，发射出低能量的光，即经波长短、频率高的光激发，材料发射出波长长、频率低的光。
而上转化发光则与之相反，上转换发光是指连续吸收两个或者多个光子，导致发射波长短于激发波长的发光类型，我们亦称之为反斯托克斯（Anti-Stokes）。
Figure 1.常规发光和上转换发光能级跃迁图Figure 2.样品被绿光激光激发之后产生荧光（左边样品为Stokes emission，右边样品为Anti-stokes emission）上转换发光在有机和无机材料中均有所体现，但其原理不同。
有机分子实现光子上转换的机理是能够通过三重态-三重态湮灭（Triplet-triplet annihilation，TTA），典型的有机分子是多环芳烃（PAHs）。
无机材料中，上转换发光主要发生在镧系掺杂稀土离子的化合物中，主要有NaYF4、NaGdF4、LiYF4、YF3、CaF2等氟化物或Gd2O3等氧化物的纳米晶体。
NaYF4是上转换发光材料中的典型基质材料，比如NaYF4:Er,Yb，即镱铒双掺时，Er做激活剂，Yb作为敏化剂。
本应用文章我们着重讲讲稀土掺杂上转换发光材料（Upconversion nanoparticles,UCNPs）。
二、镧系掺杂稀土上转换发光的发光原理无机材料有三个基本发光原理：激发态吸收(Excited-state absorption, ESA)，能量传递上转换(Energy transfer upconversion, ETU)和光子雪崩(Photon avalanche, PA)。
Figure 3.稀土上转换发光材料的发光原理(a)激发态吸收激发态吸收过程(ESA)是在1959年由Bloembergen等人提出，其原理是同一个离子从基态通过连续多光子吸收到达能量较高的激发态的过程，这是上转换发光最基本的发光过程。
上转换发光材料的激发波长
上转换发光材料的激发波长上转换发光材料的激发波长是指将较低能级的荧光物质转换为较高能级的发光材料时所需的波长。
这个过程是通过吸收低能量的光子，然后释放出高能量的光子来实现的。
上转换发光材料在光学传感、生物医学成像以及光学通信等领域有着广泛的应用。
在本篇文章中，我们将一步一步地回答上转换发光材料的激发波长这一主题。
第一步：理解上转换发光原理上转换发光是一种非线性光学效应，它的基本原理可以通过考虑荧光剂的能级结构来解释。
荧光剂通常包含两个能级：基态和激发态。
在常规的荧光（下转换发光）过程中，荧光剂吸收高能量的光子，跃迁到激发态，然后通过非辐射跃迁回到基态，释放出低能量的光子。
然而，在上转换发光过程中，荧光剂先吸收低能量的光子，跃迁到更低的激发态。
然后它再次通过吸收高能量的光子，从这个更低的激发态跃迁到更高的激发态。
最后，荧光剂通过非辐射跃迁回到基态，释放出高能量的光子。
第二步：确定上转换发光材料确定适合上转换发光的材料是实现该效应的第一步。
一些常见的上转换发光材料包括硫化锌（ZnS）、硫化铜（CuS）和氯化银（AgCl）等。
这些材料具有特殊的能级结构，可以实现上转换发光效应。
第三步：选择激发波长选择适当的激发波长是实现上转换发光的关键。
通常情况下，激发波长应该与荧光剂的吸收峰值相匹配。
这样可以最大程度地提高上转换发光效率。
激发波长的选择也受到材料的能带结构以及光学参数的影响。
第四步：调节激发条件在实际应用中，激发条件的调节对于实现高效的上转换发光至关重要。
常见的调节手段包括改变激发波长强度、调节激发光束的直径和改变激发光的脉冲宽度等。
这些调节条件可以影响到上转换发光的强度和效率。
第五步：优化材料性能除了选择适当的激发波长和调节激发条件，优化材料性能也是实现高效上转换发光的重要因素之一。
这可以通过改变材料的结构、控制材料的纯度，以及添加掺杂物等方式来实现。
优化材料性能可以提高上转换发光的效率，并降低其他非辐射跃迁损失。
上转换发光材料
上转换发光材料上转换发光的概念：上转换发光是在长波长光激发下，可持续发射波长比激发波长短的光。
本质上是一种反-斯托克斯（Anti-Stokes）发光，即辐射的能量大于所吸收的能量。
斯托克斯定律认为材料只能受到高能量的光激发，发出低能量的光，换句话说，就是波长短的频率高的激发出波长长的频率低的光。
比如紫外线激发发出可见光，或者蓝光激发出黄色光，或者可见光激发出红外线。
但是后来人们发现，其实有些材料可以实现与上述定律正好相反的发光效果，于是我们称其为反斯托克斯发光，又称上转换发光。
上转换发光技术的发展：早在1959年就出现了上转换发光的报道，Bloembergc在Physical Review Letter上发表的一篇文章提出，用960nm的红外光激发多晶ZnS，观察到了525nm绿色发光。
1966年Auzcl在研究钨酸镱钠玻璃时，意外发现，当基质材料中掺入Yb离子时，Er3+、Ho3+和Tm3+离子在红外光激发时，可见发光几乎提高了两个数量级，由此正式提出了“上转换发光”的观点。
整个60－70年代，以Auzal 为代表，系统地对掺杂稀土离子的上转换特性及其机制进行了深入的研究，提出掺杂稀土离子形成亚稳激发态是产生上转换功能的前提。
迄今为止,上转换材料主要是掺杂稀土元素的固体化合物，利用稀土元素的亚稳态能级特性，可以吸收多个低能量的长波辐射，从而可使人眼看不见的红外光变成可见光。
80年代后期，利用稀土离子的上转换效应，覆盖红绿蓝所有可见光波长范围都获得了连续室温运转和较高效率、较高输出功率的上转换激光输出。
1994年Stanford大学和IBM公司合作研究了上转换应用的新生长点——双频上转换立体三维显示，并被评为1996年物理学最新成就之一。
2000年Chen 等对比研究了Er／Yb：FOG 氟氧玻璃和Er／Yb：FOV钒盐陶瓷的上转换特性，发现后者的上转换强度是前者的l0倍，前者发光存在特征饱和现象，提出了上转换发光机制为扩散．转移的新观点。
上转换发光材料报告
上转换发光材料报告发光材料是一类特殊的材料，其能够通过吸收能量并将其转换为可见光。
这种材料具有广泛的应用领域，包括照明、显示技术、荧光探针等。
上转换发光材料是一种在能谱中吸收较短波长的光，然后辐射出较长波长的光的材料。
下面的报告将探讨上转换发光材料的原理、制备方法以及应用领域。
上转换发光材料的原理是基于荧光共振能量转移的过程。
当上转换材料吸收较短波长的光时，其能级会上升到一个高能态。
然后，这个高能态会通过与另外一个低能态的材料接触来转移能量。
转移能量的过程中，原本处于低能态的材料会上升到一个高能态，并发射出一个较长波长的光子，即上转换光。
制备上转换发光材料的方法有多种，其中最常见的是溶液法和固相法。
溶液法是将上转换材料的前体物质溶解在适当的溶液中，然后通过加热或者其他方式进行结晶，最终得到上转换发光材料。
固相法则是将上转换材料的前体物质混合在一起，并通过高温处理使其相互反应生成上转换发光材料。
此外，还有一些其他的方法，如气相沉积法、脉冲激光沉积法等。
上转换发光材料在许多领域具有广泛的应用，其中最重要的应用之一是照明领域。
传统的照明方法往往会消耗大量的能源，而上转换发光材料可以将较短波长的光转化为可见光，从而提高能源利用率。
此外，上转换发光材料还在显示技术中得到了广泛的应用。
例如，一些荧光剂被用于增强液晶显示屏的亮度和颜色饱和度。
另外，上转换发光材料还可以应用于荧光探针领域。
通过将上转换材料与特定的生物分子结合，可以实现对生物样品的高灵敏度检测。
总结起来，上转换发光材料是一类具有特殊光学性质的材料，它能够将较短波长的光转换为较长波长的光。
制备上转换发光材料的方法有多种，如溶液法和固相法。
这种材料在照明、显示技术以及荧光探针等领域有着广泛的应用前景。
随着技术的进一步发展，相信上转换发光材料在各个领域将发挥越来越重要的作用。
上转换发光 荧光强度增强 综述
上转换发光（Upconversion Luminescence，UCL）是一种具有特殊光学性质的发光材料，它能够将低能量的光转换成高能量的光，从而使荧光强度增强。
近年来，上转换发光材料在生物医学成像、生化传感、光催化等领域展现出了巨大的应用潜力。
在本文中，我们将对上转换发光原理、材料与应用进行深入的综述，帮助读者全面了解这一领域的最新进展和发展趋势。
一、上转换发光原理上转换发光原理是一种非线性光学过程，它基于能级跃迁和能量转移的原理。
当上转换材料受到辐射光激发时，发生能级跃迁，从而使得低能级的光子被转换成高能级的光子。
这一过程可以通过多种机制实现，包括能级跃迁、受激辐射和多光子吸收等。
通过精心设计材料的结构和成分，可以实现不同波长的上转换发光，从可见光到近红外光甚至紫外光。
二、上转换发光材料目前已经发现的上转换发光材料种类繁多，包括稀土离子掺杂的纳米颗粒、配位聚合物、过渡金属配合物等。
这些材料在上转换发光过程中具有不同的光学特性和应用潜力。
稀土离子掺杂的纳米颗粒具有较高的上转换效率和发光稳定性，适用于生物医学成像和生化传感。
而配位聚合物和过渡金属配合物则具有较宽的光学带隙，适用于光催化和光储能等领域。
三、上转换发光应用上转换发光材料在生物医学成像、生化传感、光催化、光储能等领域具有重要的应用价值。
在生物医学成像方面，上转换发光材料可以实现多模态成像，同时具有较高的空间分辨率和深度穿透能力，有望成为下一代生物成像技术的主要发展方向。
在生化传感方面，上转换发光材料可以实现高灵敏度和高选择性的生化分析，有望应用于临床诊断和药物筛选等领域。
在光催化和光储能方面，上转换发光材料可以实现可见光响应的高效能量转换，具有巨大的环境和能源应用前景。
四、个人观点与展望从我个人的角度来看，上转换发光作为一种新型发光材料，具有广阔的应用前景和科研价值。
我认为，未来上转换发光材料将在生物医学成像、生化传感、光催化、光储能等领域发挥重要作用，并引领光学材料和光电器件的发展方向。
上转换材料及其发光机理
2、掺杂Yb3+和Tm3+的材料
通过三光子上转换过程，可以 将红外辐射转换为蓝光发射。 第一步传递之后，Tm3+的3H5 能级上的粒子数被积累，他又 迅速衰减到3F4能级。在第二 步传递过程中，Tm3+从3F4能 级跃迁到3F2能级，并又快速 衰减到3H4。紧接着，在第三 步传递中，Tm3+从3H4能几月 前到1G4能级，并最终由此产 生蓝色发射。
10-6
10-8 10-11 10-13
YF3;Yb3+,Tb3+
YbPO4 KH2PO4 CaF2;Eu2+
二、上转换材料
1、掺杂Yb3+和Er3+的材料
Yb3+(2F7/2→2F5/2)吸收近红外辐射， 并将其传递给Er3+，因为Er3+的 4I 4 11/2能级上的离子被积累，在 I11/2 能级的寿命为内，又一个光子被 Yb3+吸收，并将其能量传递给Er3+， 使Er3+离子从4I11/2能级跃迁到4F7/2 能级。快速衰减，无辐射跃迁到 4S ，然后由4S 能级产生绿色发 3/2 3/2 射（ 4S3/2 → 4I15/2 ），实现以近红 外光激发得到绿色发射。
发光要求
为了有效实现双光子或多光子效应，发光中心 的亚稳态需要有较长的能级寿命。稀土离子能级之间的跃迁 属于禁戒的f-f 跃迁，因此有长寿命，符合此条件。
能级3-2之间能量差与能级2-1之间的能量差相等。若某一辐射 的能量与上述能量差一致，则会发生激发，离子会从1激发到2， 如果能级2的寿命不是太短，则离子从2激发到3.最后就发生了 从3到1的发射。
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• 上转化纳米材料料在
肿瘤靶向成像中的应用
上转换发光材料的应用
• 生物成像
• 防伪技术
• 红外探测 • 显示技术
上转换发光材料的应用（二）
• 掺有稀土元素的红外上转换材料配制成无色的油墨
上转换发光材料的应用（二）
激励波长（μ m）
发射波长（μ m）
上转换发光材料的应用（二）
上转换发光材料的应用（二）
机理
可以把上转换过程归结为三种形式：激发态吸收 、能量传递及光子雪崩
发光机理
一.激发态吸收
发光机理
二.能量传递
发光机理
三.光子雪崩
上转换发光效率影响因素
基质特性
稀土离子浓度 发光中心的能级结构 温度环境
1.
2. 3. 4.
上转换发光的优点
① 可以有效降低光致电离作用引起基质材料
的衰退；
② 不需要严格的相位匹配，对激发波长的稳
这种红外上转换油墨也适用于塑料薄膜,
可以方便地与现有的激光全息防伪标识结
合在一起, 起到综合防伪作用
上转换发光材料的应用
• 生物成像
• 防伪技术
• 红外探测 • 显示技术
发展趋势
• 目前，上转换理论日趋完善，新产品层出不穷。随着节能 环保成为发展主流，稀土材料越来越受到重视，如果能对 稀土离子的电荷迁移带做充分研究,利用它对激发光能量
分类
• 根据基质材料可分为5类，包括氟化物、氧化物、氟氧化 物、卤化物和含硫化合物。 • 其中就上转换发光效率而言，一般认为氯化物＞氟化物＞ 氧化物，这是单纯从材料的声子能量方面来考虑的，这个 顺序恰与材料的结构稳定性顺序相反。
• NaYF4是目前上转换发光效率最高的基质材料
发展历程
1959年，Bloeberge用960nm的红外 光激发多晶ZnS ，观察到 525nm的 绿色发光。 1962年，此种现象又在硒化物中得 到了进一步的证实。 1966年， 法国科学家Auzel在研究钨酸镱 钠玻璃时，意外发现，当基质材料中掺入 Yb3+ 离子时，Er 3+、 Ho3+和 Tm3+离子 在红外光激发时，可见发光几乎提高了两 个数量级，由此正式提出了“上转换发光” 的概念
发展 历程
1968年，制出第一个有实用价值的上 转换材料LaF3，一时间Yb,Er 成为研 究热点； 20世纪 90年代初： 在低温下(液氮温 度)在掺Er3+：CaF2晶体中上转换发光 效率高达25% 近年来，纳米材料的小尺寸效 应、高比表面效应、量子效应 等优点使纳米材料成为稀土离 子上转换发光领域中一个新的 研究热点，尤其是镧系掺杂发 光材料的研究最多 。
发出红外线。但是后来人们发现，
其实有些材料可以实现与上述定律 正好相反的发光效果，于是我们称 其为反斯托克斯发光，又称上转换 发光。
分类
• 根据掺杂离子分类可将上转换材料可分为单掺和双掺两种 • 单掺材料利用稀土离子f-f禁戒跃迁，效率不高。
• 双掺稀土离子则是以高浓度掺入一个敏化离子，其激发态
高于激活离子激发亚稳态，因此可将吸收的红外光子能量 传递给这些激活离子，发生双光子或多光子加和，从而实 现上转换过程。
上转换发光材料的应用
• 生物成像
• 防伪技术
• 红外探测 • 显示技术
上转换发光材料的应用（一）
UCNPs ——稀土上转换发光纳米材料
• 激光扫描上转换发光显微成像 (laser scanning up-conversion luminescence microscopy, LSUCLM) 技术
上转换发光材料的应用（一）
优点：
• 1) 无背景干扰，具有较高选择性和灵敏性 • 2) 光漂白非常低，可用于长期成像 • 3) 廉价的近红外连续激光器 • 4) 能显示复杂的生物样品中更多的细节。
• 5) 对生物组织几乎无损伤
上转换发光材料的应用（一）
• 基于上转换发光的活体成像技术
上转换发光材料的应用（一）
的宽带吸收和对稀土激活离子的能量传递，提高发光效率
，将带来巨大的发展前景
• 寻求新的发光机制
• 更合适的基质材料 • 提高发光效率
概念、分类 发展历程 主要 内容 机理 应用 发展趋势
什么是上转换发光材料？
上转换发光，即：反-斯托克斯发光
（Anti-Stokes），由斯托克斯定律
而来。斯托克斯定律认为材料只能 受到高能量的光激发，发出低能量 的光，换句话说，就是波长短的频 率高的激发出波长长的频率低的光。 比如紫外线激发发出可见光，或者 蓝光激发出黄色光，或者可见光激
定性要求不高；
③ 输出波长具有一定的可调谐性。
上转换发光材料的应用
• 稀土上转换材料在功能材料方面呈现了强劲的发展趋势。 • 应用领域包括： 照明 建筑装饰 工艺美术 农业 军事 生物 医学
上转换发光材料的应用
• 主要应用为： 电光源照明 大屏幕显示器材料 夜明材料 电视显色材料
X射线荧光粉与闪烁体等
LSUCLM技术的光路图
上转换发光材料的应用（一）
灵敏性： 以 UCNPs 为探 针的 LSUCLM 成像方 法，能够完全消除来 自内源性荧光物质和 同时标记的荧光染料 的背景干扰，对所要
成像的对象具有高灵
敏度。
上转换发光材料的应用（一）
LSUCLM和普通共聚焦荧光显微镜成像的光漂白情况比较 DiI——红色 DAPI——蓝色 UCNPs——绿色 ———LSUCLM的光漂白非常低