等離激元微納腔實現鑭繫上轉換髮光單色和增強的研究

《等離激元微納腔實現鑭繫上轉換髮光單色和增強的研究》是依託廈門大學，由李艾華擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：等離激元微納腔實現鑭繫上轉換髮光單色和增強的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李艾華
• 依託單位：廈門大學

項目摘要

上轉換髮光效率低、發光顏色難以調控是鑭系摻雜納米材料通往實用的兩個瓶頸問題，而目前的材料工程很難將這兩個問題統一起來用一種方法解決。我們提出利用等離激元微納腔同時解決這兩個問題的實驗方案：以鑭繫上轉換納米晶（UCNCs）為對象，利用局域電場增強和 Purcell效應對上轉換躍遷的增強和調控作用，實現鑭系離子的增強單色上轉換髮光。本項目將設計並製備UCNC@SiO2@Ag核—殼結構亞微米球形腔，建立亞微米分辨單顆粒上轉換螢光成像/光譜採集系統，選擇性測試不同尺寸（腔模）的單個UCNC—微納腔體系的上轉換髮光特性，觀察微納腔增強鑭系離子上轉換髮光強度和調控其發光顏色的作用規律，利用相關理論，探索光子態密度調控上轉換髮光顏色和增強上轉換髮光強度的物理機制。此項研究不僅可以為等離激元光學最佳化鑭系離子發光提供理論支撐，而且得到的增強單色上轉換髮光在高分辨全色顯示、光伏電池等方面有重要套用潛力。

結題摘要

儘管上轉換髮光的獨特發光屬性使之在防偽與安全，光伏電池，生物醫學成像與理療等方面具有誘人的套用前景，但是現有鑭系摻雜上轉換納米材料的低發光效率、難以調控的發光顏色阻礙了其得到實際的套用。目前研究人員主要想藉助材料工程來解決，本項目我們研究了通過調控局域光子態密度來同時解決這兩個問題的可行性。本項目以鑭繫上轉換納米晶（UCNCs）為研究對象，通過設計合適的金屬諧振結構來調控局域光子態密度，利用Purcell效應實現對上轉換髮光之輻射躍遷的選擇性放大，實現鑭系離子的增強單色上轉換髮光。在非最佳化的條件下，通過旋塗、刻蝕、濺射工藝構建的UCNC@Ag半殼等離激元亞微腔內鑭系離子的上轉換紅光隨腔體積的增大出現了多次超10倍的集體上轉換髮光增強，第一次增強可歸因於局域場增強，後面的增強歸因於不同階次諧振模式調控的局域光子態密度伴隨的Purcell效應對輻射躍遷的放大。使用金屬F-P諧振腔，通過腔長調控諧振模式，當諧振模式與上轉換紅光重疊時可以獲得單一發光帶的增強上轉換紅光；當最低階諧振模式與上轉換綠光重疊時調製不顯著，但是當更高階諧振模式與上轉換綠光重疊時可以獲得近單一發光帶的增強上轉換綠光。為了避免個體差異對實驗結果的影響，藉助基於光學顯微鏡的微區光譜測試系統，研究了等離激元腔的腔體積（由微米棒的尺寸決定）對上轉換髮光的影響，發現微米棒覆蓋Ag半殼後不論是發光強度的波動，還是紅綠髮光強度之比的波動均顯著提高，而兩個綠光發光強度之比幾乎保持不變暗示該波動並非熱效應導致，尺寸依賴的諧振模式伴隨的Purcell效應可以很好的解釋該實驗現象。基於UCNC@SiO2@Ag半殼的數值計算顯示：該結構的增強和選擇對紅綠兩個發光帶並非相同，在發光增強方面對上轉換紅光更有利，而在單一發光帶發光方面對上轉換綠光更有利。以上結果暗示利用局域光子態密度調控鑭系離子發光時，除了考慮與諧振模式匹配能級之Purcell效應外，還要考慮局域光子態密度誘導的激發態電子在不同發光能級之間的再布居。