光子上转换动态调控为稀土掺杂上转换发光材料的光色输出提供了一种新的解决方案，在稀土发光材料应用基础研究方面具有重要意义。然而，目前具备动态调控上转换发光颜色的材料体系通常通过交叉弛豫等过程实现，由于上述光色转变过程中伴随着稀土离子的发光猝灭过程，会无可避免地抑制发光强度及量子效率。另一方面，虽然多层核壳结构纳米粒子也能实现光色动态调节，但是其复杂的结构设计、激发模式设计以及不同发光中心之间复杂的能量过程等问题增加了材料制备以及实际应用的难度。因此，如何实现单发光中心的高效上转换发光颜色动态调控是本领域面临的一项挑战。

针对上述科学问题，华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室周博教授团队提出了一种基于界面能量传递（IET）的概念模型，在时间和空间维度上实现了上转换发光动力学过程调控与光色动态调节。该工作以“Spatiotemporal control of photochromic upconversion through interfacial energy transfer”为题发表在著名期刊Nature Communications上。

周博教授团队通过在NaErF4:Ho(0.5 mol%)@NaYbF4@NaYF4纳米结构中设计Yb亚晶格敏化层，可有效提高对激发能量的吸收和利用，进而增强上转换发光。进一步研究表明，在纳米尺度上精确调节Er和Yb亚晶格界面处的相互作用，可精确调节Er3+→Yb3+反向能量传递，进一步提升发光强度和量子效率。与NaErF4@NaYF4纳米粒子对照样相比，调控后的样品发光强度、量子效率均大幅提升。此外，研究也发现微量掺杂Ho3+对调节Er3+红光动力学过程具有促进作用，Er和Yb亚晶格的界面能量传递可改变Er3+发光能级布居速率。因此通过提高激发功率密度或减小激发脉宽，实现了发光颜色的动态转变（红→绿）；而且，由于Er3+红光能级寿命较长，短脉宽激发下样品发光颜色也随时间发生变化（绿→红）。上述多模式响应的发光性质在光学信息防伪识别、速度探测等方面展现了重大应用潜力。本项研究为稀土上转换发光材料的多功能设计和光色动态调控提供了新的思路。

图1. 基于界面能量传递的发光模型设计。a,b）常规低浓度掺杂与发光基质；c）基于界面能量传递（IET）的核壳结构设计；d）NaErF4:Ho(0.5 mol%)@NaYbF4@NaYF4核-壳-壳纳米粒子及能量过程示意图。

图2. 样品形貌及光谱表征。a,b）样品的TEM图及元素分布；c,d）变Yb浓度样品的上转换光谱及不同波长激发的发射强度变化；e）功率-强度双对数曲线斜率；f）不同敏化层厚度样品的上转换光谱。

图3. 纳米空间调控上转换发光。a）不同Yb3+掺杂浓度样品的上转换发光及吸收变化；b）吸收光谱；c,d）不同NaYF4夹层厚度样品的上转换光谱及强度比较；e）与常规纳米粒子的对比；f）能量传递速率与离子距离的关系。

图4. 时域调控上转换发光：a,b）不同脉宽激发下的绿-红比变化关系与色度坐标（插图为样品的发光照片）；c）不同脉宽激发下的归一化光谱；d）Er3+发光强度随激发时间的变化：e）非稳态激发上转换发光颜色变化的机理示意图；f）时间分辨光谱及红绿比变化趋势。

图5. 前沿应用。a）发光颜色多模调制；b）高泵浦功率或短脉冲激发解码图案信息；c）多维光信号的快速识别。d,e）速度监测示意图及结果；f-h）光谱结果分析及灵敏度变化。

文章DOI

https://doi.org/10.1038/s41467-024-46228-5

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本文中上转换发射光谱测试使用卓立汉光公司的OmniFluo990稳态瞬态荧光光谱仪完成。OmniFluo990为模块化搭建结构，通过搭配不同的光源、检测器和各类附件，为紫外/可见/近红外发光测试提供综合解决方案，也为稀土上转换材料的光色调控研究提供有利工具。