新型稀土纳米发光材料的可控合成与表面功能化研究

This project focuses on the controllable synthesis, luminescence properties and surface functionalization of novel rare earth nanoparticles. Rare earth luminescent nanoparticles with different morphologies and sizes are efficiently synthesized by different methods through selecting the right system and the various reaction parameters, such as precursor, solvent, surfactant, pH value, and temperature. Our experiments and anylasis are conducted to develop the efficient preparation methods, explore the nuclear formation and growth mechanism, study their luminescent properties and the energy transfer mechanism of different rare earth ions, and investigate the relationship between the different morphology, particle size, surface state and the luminescence properties of these rare earth nanoparticles. The resulting rare earth nanoparticles are coated with homogeneous or heterogeneous shell (silica shell, organic ligand shell, etc.) and conjugated with functional groups to improve the luminescent efficiency, stability, aqueous solubility, and biocompatibility, leading to the suface functionalized rare earth nanophosphors with the excellent performance. These obtained nanomaterials are used in some fields such as a fluorescence probe, biological labeling, imaging, medical diagnosis,and therapy to explore the possibility of application. Therefore, it is of theoretical and practical significance to design and synthesize novel rare earth nanomaterials and explore their applications in the field of new optoelectronic devices and biomedicine.

本项目围绕新型稀土纳米发光材料的可控合成、发光特性和表面功能化开展深入研究。利用不同的制备方法，选择合适的体系与反应前驱物、溶剂、表面活性剂、pH值、温度等来有效地控制稀土纳米粒子的形貌与粒径，探索不同形貌的稀土纳米粒子的成核与生长机理，发展高效稀土纳米发光材料的有效制备技术，研究稀土离子的光谱特性与能量传递的机理，研究不同的形貌、粒径、表面状态与发光特性之间的相关性。对所得的稀土纳米粒子进行同质或异质（硅壳、有机配体等）壳层包覆，嫁接功能性基团，提高纳米晶的发光效率、稳定性、水溶性和生物相容性，进而获得性能优良的功能化稀土纳米发光材料，并探索其在荧光探针、生物标记与成像、医学诊断治疗等方面的应用。这对新型稀土纳米发光材料的设计与合成以及它们在新型光电子器件和生物医学等领域的应用具有重要的理论与实际意义。

稀土发光材料在照明、显示、光电器件等领域有着极其重要的应用，近年来随着纳米科技的发展，稀土发光材料由于其低毒、抗光漂白、性质稳定等优点，使得其在生物标记、成像、诊疗等领域显示出潜在的应用前景。研究表明纳米材料的性质与形貌、尺寸、维度、表面状态等密切相关，因此，稀土纳米发光材料的可控合成与形成机理以及表面状态的研究具有十分重要的意义。本课题主要以稀土氧化物（Y2O3，Ln2O3）、稀土复合氟化物（两元氟化物ReF3，稀土三元氟化物β-NaYF4、β-NaGdF4、BaGdF5、Ba2GdF7、Gd1-yCayF3-y），稀土钒酸盐（YVO4、t-LaVO4）等基质材料，选取Ce3+、Tb3+、Er3+、Yb3+、Tm3+、Ho3+、Mn2+等为激活离子。针对具体的研究对象，设计合理的绿色合成方法，研究了纳米晶生长的热力学和动力学过程，探讨影响其生长的内在与外在因素，揭示了不同形貌纳米粒子的成核与生长机理。对所得纳米晶针对性地进行表面修饰，以提升产物的发光效率并获得良好的水溶性和生物相容性，探索了所得新型的稀土纳米荧光体在白光LED新型发光材料、药物释放等方面的应用。课题围绕计划书中预定目标，以发展单分散新型稀土纳米发光材料可控制备与形成机理、光谱特性研究和表面功能化及应用为核心，在单分散新型纳米发光材料的形貌尺寸可控合成、生长机理研究、表面功能化等几个方面取得了一系列进展，并获得了系列形貌尺寸可控单分散纳米发光材料，发展了多种单分散纳米发光材料的绿色制备技术，取得了系列新颖有意义的研究成果，所获得的研究结果将为新型稀土纳米发光材料的设计、可控合成及其表面功能化及其应用提供理论与实验依据。相关结果在Chem. commun、Inorg. Chem.、J. Mater. Chem. C、Cryst. Growth Des.、Adv. Opt. Mater.等国际SCI杂志上发表论文49篇 (其中影响因子大于3.0的47篇), 申请中国发明专利4项 (其中3项获权)。