长波段长余辉发光材料中载流子再俘获过程的研究及应用

Persistent bio-luminescence imaging technology has been widely studied because it’s deeply depth of insertion and highly selectivity, and the visually detection ability of the special groups of the bio-molecule. However, the short decay time and the difficulty in writing of the second-signals, lead to the limited application of the persistent fluorescent probe recently. Employing the persistent phosphors with long wavelength emission is an effective way to solve above problems. In this study, in order to deeply understand the mechanisms of the persistent phosphors, the trapping and re-trapping process of carriers with the assistance of the photo-stimulation of technology will be systemically investigated. To facilitate the investigation of carriers capturing and releasing processes, the effects of the trapping centers not invalid will be eliminated from the trapping structure by photo-stimulation. Furthermore, the comprehensive understanding of the process of capturing, releasing, and transporting will be proposed, based on the investigation of the intrinsic properties of defects and carriers stimulated by infrared, which could provide a new approach to promote the re-writing process for second-signal. The results could be of importance not only for understanding the effects of detail mechanism in distinctive defect states, the transporting processes between emission centers and trapping centers, but also for designing and developing the persistent fluorescent probe materials.

长余辉生物荧光成像技术由于其深植入深度、高选择性且直观地检测生物分子群体中的特别组分而成为生命医学研究的重要工具并被广泛研究。然而，余辉时间短及二次信号难以写入的两大瓶颈使得该项技术难以突破。长波段长余辉发光材料的选择是解决以上问题的有效途径。在本项目中，我们以长波段长余辉发光材料为研究对象，光激励技术为有效手段，深入研究载流子在陷阱间的俘获及再俘获过程。采用光激励主观诱导手段促进载流子的释放，可有效剔除非有效陷阱能级的微扰，进而理解载流子对陷阱中心的填充及释放过程，并从根本上解决余辉探测时间短的问题。同时，通过近红外光激励释放深陷阱中的载流子及再俘获过程，实现长余辉信号的再生，为二次信号写入提供一种新的途径。该研究成果有助于认识不同缺陷态环境对材料最终性能的影响机制，为完善长余辉机理模型提供借鉴，也为新型长余辉生物荧光探针材料的设计、研发及拓展应用提供新的思路和理论依据。

本项目选择具有低维链状结构的镓锗酸盐为基质材料，通过引入具有合适能级结构的稀土离子作为有效发光中心和陷阱中心，构建长波发射长余辉发光材料。低维链状结构为陷阱能级和激发态能级的形成提供了条件，并在发光中心和陷阱中心之间构建了单一方向有效传输通道。项目通过对低维晶体结构进行设计，实现微观结构变化对缺陷结构环境以及激发态辐射跃迁过程的调制。并通过在无定形结构中对微观缺陷结构的分离和设计，探究了缺陷态的本征属性及其俘获载流子的能力，进一步揭示了载流子俘获、释放及运输的物理机理。本项目的研究成果长波发射长余辉发光材料的设计和研发提供新的思路和理论依据。项目主要研究内容和成果如下：.（1）单向或定域结构通道的实现及其对发光性能影响的研究:以具备单向定域结构通道材料为研究对象，我们可实现发光中心与缺陷中心的单向或定域排布，从而构建合适的微观缺陷结构框架。结合微观缺陷结构和激活剂离子电子结构的分析，我们可明确不同陷阱环境对余辉及光激励性能的影响机制。.（2）缺陷态类型的区分及其本征属性的归属:利用热释光技术我们探究了有效陷阱的深度与分布，并实现了对发光中心和缺陷中心的本征属性的归属及充当角色的认定，建立了缺陷结构与材料热稳定性的相互作用关系；并研究不同环境温度对材料发光及余辉性能的影响，总结环境温度对陷阱中载流子迁移的影响规律。.（3）光激励作用下陷阱间的载流子俘获及再俘获过程的研究:采用光激励主观诱导手段促进载流子的释放，揭示了载流子填充、释放及传递过程中的基本规律。同时，提高深陷阱载流子的再俘获效率，最终得以实现长余辉衰减时间的延长。.本项目针对微观陷阱结构的设计及调控实现发光中心与缺陷中心的单向或定域排布，构建不同深度缺陷态并存结构，实现了长波段长余辉发光材料的余辉信号再生，为长余辉机理模型的详尽构建提供借鉴。并揭示了不同缺陷态与激发态能级之间的互相作用，以及缺陷态结构与载流子俘获与再俘获过程的内在物理机制，为余辉性能的设计、优化以及在不同工作环境的应用提供了理论指导和科学依据。