核壳法制备高效NaYF4上转换发光纳米材料及其相变机理研究

稀土离子掺杂氟化钇钠上转换发光纳米粉体在生物荧光标记及提高太阳能电池光电转换效率等领域的应用潜力巨大，近年来该粉体的研究备受关注。然而湿化学方法或固相反应法很难制备出均匀分散颗粒尺寸在20纳米以下、发光效率高的稀土离子掺杂六方相氟化钇钠纳米颗粒。主要原因是立方相氟化钇钠向六方相转变的过程中，不可避免地发生颗粒长大。本项目的研究思路是，在立方相氟化钇钠颗粒表面分别进行有机聚合物及二氧化硅双壳层包裹；通过热处理除去聚合物层，以提供空间供立方相氟化钇钠发生有体积效应的一级相变，所制备的稀土离子掺杂六方相氟化钇钠颗粒尺寸在20纳米左右。二氧化硅包裹层将保持颗粒的分散性，而且二氧化硅层极易进行后处理，使该颗粒具有生物相容性或易于分散在有机单体中。本项目还以二氧化硅壳层作为微型容器，对单纳米颗粒在相转变过程中的质量传输和能量传递机理进行研究。

NaYF4纳米晶由于其声子能量低，化学性质稳定，是一种很好的上转换发光基质材料。上转换发光材料在近红外光激发下，具有很弱的自发荧光现象，且具有抗光漂白以及毒性小等优点，在生物荧光标记上具有广阔的应用前景；此外，由于上转换发光能够将近红外光子转换为可见光，因此在太阳能电池领域也显示出诱人的前景。采用共沉淀法、溶剂热法合成了不同尺寸、不同形貌、单分散的稀土掺杂的NaYF4纳米晶。对不同方法所得纳米晶进行SiO2包覆，对共沉淀法所得纳米晶进行双层SiO2包覆，包覆后上转换发光的红绿光强度比变小，发光中心位置没有变化。对Er3+掺杂的NaYF4纳米晶应用于Si基太阳能电池，使其光电转换效率提升了8.6%。对Gd3+，Mn2+共掺NaYF4中能量传递机理进行了研究，指出Gd3+：6PJ能级在Gd3+离子向Mn2+离子能量传递过程中的关键性作用。此外，还对Cr3+掺杂的NaYF4纳米晶的相转变机理进行了初步探索。