多种物相稀土氟氧化物的可控制备及上转换发光性质研究

In the exploration of new rare-earth up-conversion (UC) materials, the host structures are essential for the controllable emission profile and high efficiency. Rare-earth oxyfluorides (REOF) are one of the most promising hosts with low phonon energy and multiple structure derivatives. However, related researches are relatively less reported due to the difficulty in atmosphere control during the syntheses process to achieve pure phases. In this project, we adopt the low-cost PTFE method to synthesis REOFs with controllable crystal structure and investigate their UC performance. The detailed research aims are: 1) Describe the phase formation region of various REOF phases through precise controlling of the reaction atmosphere, time, temperature and the reactants ratio; 2) Study the UC performance of different REOF hosts comparatively to obtain in-depth insight into the relationship between UC properties and structural features such as the doping site symmetry and the RE-RE geometry; 3) Prepare high performance REOF UC nanoparticles via the combination of the PTFE fluorination and Sol-Gel method. This work will afford cheap and large-scale routes to several novel REOF UC host materials, and provides both fundamental insight and references for future practical applications.

在稀土上转换发光材料研究中，基质材料晶体结构对获得高效率和特定谱带发射的上转换荧光至关重要。稀土氟氧化物是一类潜在的兼具低声子能和多种衍生晶体结构的优秀基质材料，但由于氟氧化物制备对气氛控制要求苛刻，目前对稀土氟氧化物上转材料的研究相对较少。本项目拟利用廉价的聚四氟乙烯低温氟化法系统研究一系列稀土氟氧化物的物相可控制备及其作为上转换发光基质的性能：1)通过精确控制反应气氛、氟化温度和时间、氟化剂比例等制备条件，绘制多种物相的生成区间；2)对比研究激活离子掺杂后不同物相稀土氟氧化物的上转换发光性能，从晶体结构的角度探讨掺杂格位对称性及掺杂位点空间几何关系对稀土上转换材料的性能影响；3)筛选出性质优越的稀土氟氧化物基质材料，结合溶胶凝胶法，制备高性能稀土氟氧化物的上转换发光纳米材料。本项目从稀土发光材料的可控制备和结构与性质的关联性出发，探索新型高效的稀土上转换荧光粉，兼具基础研究和实用价值。

稀土氟氧化物作为上转换发光基质材料兼具氟化物低声子能量和氧化物高稳定性的优良特性，同时其多样化的晶体结构为研究结构与发光性质之间的关系提供了桥梁。本项目通过优化氟化反应温度、时间、氟化剂比例等制备条件，获得了具有多个物相的系列稀土氟氧化物，以此为基质材料进行稀土激活离子掺杂，相对应的获得了具有可见和近红外发光的多种上转换发光材料。我们通过对比研究同元素基质材料不同物相间结构差异来解释材料上转换发光光谱的不同，认为掺杂位点配位对称性、亚晶格尺度能量传递和弛豫过程对上转换发光的强度、峰形和峰位变化均有影响。这为筛选出高性能的上转换发光基质结构提供了有益的参考。研究过程中，我们发现了一类在多个稀土氟氧化物中普遍存在的两相间相变过程。依赖这一相变反应前后材料所呈现的形貌一致性，我们最大程度的排除了发光材料颗粒尺寸对发光强度的干扰，使晶体结构对上转换发光性质影响的分析更加明确可靠。此外，在上转换发光功能基础之上，我们还通过对基质材料稀土元素的选择，进行了多功能成像应用基础研究，实现了光学和核磁共振双功能成像，为材料的进一步应用研究打下了基础。