金属/稀土复合胶体纳米发光材料的光学性质研究

金属的表面等离子体共振对发光体的荧光增强效应与机理是光和物质相互作用领域的重要科学问题,也是难点的问题。本项目拟合成金属纳米粒子与稀土氧化物纳米晶复合的溶胶材料并控制其尺寸、结构、形貌和相互间作用距离并深入研究其结构与光学性质。通过消光光谱、激发与发射光谱及荧光动力学过程以及量子效率的表征确定产生荧光增强现象的最佳条件，探索这种能量传递产生的条件以及传递机制，建立理论模型；通过波长选择激发研究金属的存在对发光中心局域环境和晶体场的影响。深入揭示金属与稀土纳米晶相互作用的机理和荧光增强现象产生的物理实质。本项目不仅具有重要的基础理论探索价值，还将为实现稀土纳米晶在生物探针领域的应用提供高效的荧光材料。

由于金属纳米粒子具有强的表面等离子共振吸收(SPR)，可以做为吸收天线与稀土发光中心相互作用使发光材料发射增强，因此这方面的研究引起了极大关注。近些年来众多课题组试图设计合成金属与稀土复合纳米材料获得高效的发光，研究结果一般将发光增强的机制归因于三个因素：1) SPR与发光中心的发射光场耦合使其辐射跃迁速率增加，导致荧光增强；2)SPR与入射光场耦合，增强了辐射光场从而使荧光增强；3)金属纳米颗粒与发光中心的能量传递敏化发光。但这些结论往往缺乏可靠的实验依据。为了深入的揭示金属SPR与纳米材料中稀土发光中心相互作用的本质，在过去的四年中，我们选择不同的材料体系（胶体材料、薄膜材料以及粉体材料，通过实验表征与理论推导，系统揭示了金属与稀土离子发光相互作用的机制，得到了重要而有意义的研究结果，具体如下：.1) 在金属/稀土复合纳米胶体材料体系中，我们发现无论是上转换发光还是下转换发光，金属对稀土离子发光的主要影响源于界面效应，而不是传统报道的SPR与稀土发光中心的耦合。由于金属与稀土的界面有效的隔离了稀土发光中心与胶体溶液的相互作用，从而有效地降低了无辐射跃迁速率，从而使发光增强。.2) 在稀土氧化物与金属的复合核壳结构中，我们发现金属壳层不但能够敏化稀土的发光增强，而且能够有效的降低其激发阈值并使激发谱带展宽，在这一的结构中，浓度猝灭和温度猝灭被有效抑制。我们利用光电导与热电导实验对稀土氧化物宽带发射和荧光增强的机制进行了分析，并给出了增强机制的物理模型。.3) 利用自组装的方法合成了一些列金属/稀土复合的薄膜材料，在薄膜材料中我们发现金属薄膜的消光特性与吸收特性是影响发光增强的重要因素。金属SPR对光的吸收导致稀土发光中心局部温度升高，从而使无辐射弛豫增加猝灭发光；而金属薄膜对入射光的漫反射可以使SPR产生显著的场增强效应从而敏化发光。我们利用这一原理，设计制备了不同的复合薄膜，通过结构和形貌的调制优化，可使稀土离子上转换提高两个数量级。.上述工作共发表SCI论文28篇，其中影响因子大于10的论文2篇，影响因子大于3的论文20篇。按计划顺利完成了任务书中所涉及内容。