掺杂上转换纳米晶的可控生长机理和光磁性能研究

单分散光/磁多功能上转换纳米晶的制备、性能表征及其应用是材料、化学、生物医学等领域十分关注的课题之一。最近一系列研究结果表明掺杂对上转换纳米晶的可控生长有着十分重要的影响。通过掺杂，可以实现纳米晶晶相、形状及尺寸的有效调控。这种掺杂诱导的奇特生长现象，目前的生长机制研究不够深入，掺杂调控纳米晶生长的动力学过程仍不清楚。本项目以转换效率最高的NaREF4(RE=Rare Earth)体系为研究对象，以第一原理计算的形成能作依据，考虑反应中间相和最终相热力学稳定性对固溶体纳米晶生长的影响，从实验和理论研究掺杂纳米晶可控生长的动力学过程，揭示掺杂调控纳米晶晶相、形状和尺寸的物理机制。在此基础上，制备组分均匀、尺寸可调、光/磁性能优异的超薄纳米片和六角相NaREF4超细纳米晶, 系统研究上转换发光动力学行为及光/磁性质的尺寸与表面效应。研究结果为上转换纳米材料的可控制备与性能调控提供实验和理论依据

多功能纳米晶的制备、性能及其应用是材料、化学、能源、生物医学等领域十分关注的课题之一。最近一系列研究结果表明掺杂对纳米晶的可控生长和性能有着十分重要的影响。通过掺杂，可以实现纳米晶晶相、形状、尺寸及物理性能的有效调控。基于掺杂调控纳米晶生长和性能的思想，项目主要研究内容如下：.(1)以上转换效率最高的NaLnF4(Ln=lanthanide)氟化物体系为研究对象，以第一原理计算的形成能作依据，考虑反应中间相和最终相热力学稳定性对固溶体纳米晶生长的影响，从实验和理论研究了掺杂上转换纳米晶可控生长的动力学过程，揭示了掺杂调控纳米晶晶相、形状和尺寸的物理机制。在此基础上通过Na离子原位交换K离子,制备了晶相、尺寸、上转换荧光及磁性可调的NaYbF4纳米晶；发现Gd离子的引入可以调控KF-YbF3体系的正交相——立方相转变，调节800nm的近红外上转换发射；(2)把掺杂调控纳米晶生长的概念从氟化物扩展到氧化物和碳氮化合物。通过稀土离子掺杂调节钛酸锂和SnO2纳米晶的形貌和尺寸，随着稀土离子掺杂浓度的增加，SnO2由类球状纳米颗粒演变为纳米棒，且平均尺寸由6.2nm逐渐减小为4.2nm；钛酸锂纳米晶由不规则的厚纳米片转变成超薄(10nm)纳米片。利用硝酸银的多功能掺杂剂特性在三聚氰胺热缩聚过程中复合超薄二硫化钼纳米片一步生成氮化碳纳米片、银和二硫化钼纳米片三元复合功能材料；(3)为了增强所制备纳米晶的性能，发展了纳米晶修饰和复合的新概念和技术，制备了碳包覆稀土掺杂钛酸锂纳米片、Ag修饰钛酸锂纳米片、二硫化钼量子点修饰钛酸锂纳米片、石墨烯复合钛酸锂纳米片等多种复合功能材料。这些纳米复合材料在能量转换与储存方面展示了良好的性能和应用潜力。此外，我们把发展的水热合成法扩展到一些新型功能材料上，制备了多种在光电转换与能量储存方面性能优异的纳米结构材料(例如二硫化钼纳米片、二氧化钛微米球/石墨烯复合气凝胶、磷酸钛钠介孔纳米晶)。.研究成果已经以学术论文的形式在Adv. Funct. Mater., J. Mater. Chem.A, J. Power Sources等期刊发表论文21篇。这些研究表明掺杂调控纳米晶生长和性能的普适性，也为其进一步性能增强和应用拓展奠定了良好的基础。