贵金属/非金属双模态表面等离子体共振耦合增强稀土离子发光

The luminescence of rare earth ions is an important kind of luminescence phenomenon. Due to the unique 4f-4f electron configuration and the parity forbidden rules, Ln3+ lanthanide ions have low luminous efficiency, that restricts their application. In recent years, studies have shown that, the dual mode surface plasmon resonance coupling of the composite with noble metal nanoparticles and nonmetal nanoparticles, can enhance the local field effect, and provide an effective method for the enhancement of rare earth ions luminescence. The purpose of this study is to prepare noble metal/nonmetal heterogeneous nanoparticles by controlling the size, morphology or stoichiometry of the nanoparticles and enhance the local field environment by dual mode surface plasmon resonance coupling. It could control the excitation and emission of rare earth ions, improve the luminous efficiency, and furtherly explore the mechanism of rare earth ion luminescence enhancement by the local field. The implementation of this project will help us to understand the relationship among the structure of surface plasmon materials, local field and enhancement of the luminous efficiency in rare earth ions. It has important theoretical and practical significance for improving the luminous efficiency of rare earth ions and developing new photoelectric materials and devices.

稀土离子发光是一类重要的发光现象，由于Ln3+镧系离子独特的4f-4f电子构型，宇称禁戒规则导致其发光效率低，限制了它的运用。近年来研究表明，将分别具有表面等离子体效应的贵金属、非金属纳米微粒相复合，利用其双模态表面等离子体共振耦合能够增强局域场效应，为调控增强稀土离子发光提供了一种有效的研究方法。本研究拟通过调控纳米微粒的尺寸、形貌和化学计量比，制备贵金属/非金属双模态表面等离子体共振耦合纳米微粒，增强其局域场环境，以调控稀土离子激发、发射过程及提高发光效率，进一步探索局域场增强稀土离子发光机制。本项目的实施将有助于认识表面等离子体材料结构与局域场及增强稀土离子发光效率的关系，对于提高稀土离子的发光效率、开发新型光电发光材料及器件具有重要的理论和实践意义。

稀土离子发光是一类重要的发光现象，由于Ln3+镧系离子独特的4f-4f电子构型，宇称禁戒规则导致其发光效率低，限制了它的运用。本项目设计Au/ W18O49和Au/MoS2两种金属/非金属双模态表面等离子体共振耦合增强稀土离子发光体系，实现了对稀土掺杂发光纳米微粒的上转换发光行为的调控。项目首先通过异价金属离子掺杂，研究W18O49纳米材料中等离子共振效应的来源，发现结构中W5+-W5+结构有利于局域自由电子的富集，在此基础上利用异价金属离子的掺杂实现了W18O49表面等离子体共振的调控；此后通过不同还原方法在海胆状W18O49纳米颗粒的不同位置上生长了Au纳米颗粒，研究复合位置不同对双模态表面等离子体共振及其耦合增强稀土离子发光的影响；最后利用界面电荷转移效应，将MoS2片层结构材料中的热电子注入给复合的Au纳米微粒，使Au纳米微粒在近红外光照射下也能够产生强烈的等离子共振效应，从而有效调控稀土离子上转换发光。通过以上实验设计，对半导体材料中受光激发等离子电子和电子-空穴等激子的传输过程分析，阐释了界面电荷转移效应在金属/非金属双模态表面等离子体共振耦合中的作用，继而通过双模态表面等离子体共振耦合增强稀土离子发光过程的研究，探索了双模态耦合增强下激发场和发射场增强效应对调控发光的共同作用机制。本项目成果有助于认识表面等离子体材料结构与局域场及增强稀土离子发光效率的关系，对于提高稀土离子的发光效率、开发新型光电发光材料及器件具有重要的理论和实践意义。通过项目的实施发表高水平SCI 论文16 篇，获授权发明专利2 项，获硕士学位2 人，获博士学位人员1人。