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中国计量大学团队在时间维度的颜色演变研究领域取得重要进展

 

多色发光材料

多色发光材料在多通道生物检测、高密度信息存储、多维度显示以及多功能光电器件等领域具有重要的科学与应用价值。目前调控多色发光的方法主要是改变材料化学组分或外场刺激条件,比如激发源、温度、压力、电场、磁场等。这些方法需要进行复杂的微结构合成和对外场刺激进行动力学调制。相比而言,利用余辉发光材料实现依赖于时间维度的颜色演变,能够有效避免因使用外场刺激条件而产生的负面效应。然而,关于无外场刺激条件下依赖于时间维度的颜色演变体系鲜有报道。

中国计量大学团队在时间维度的颜色演变研究领域取得重要进展

近日,中国计量大学光电学院徐时清教授团队在时间维度的颜色演变研究领域取得重要进展,研究成果以“Manipulation of time-dependent multicolour evolution of X-ray excited afterglow in lanthanide-doped fluoride nanoparticles”为题发表在国际著名期刊Nature Communications (2022, 13: 5739)上,并被Nature Communications编辑选为Research Highlight重点推荐。中国计量大学雷磊副研究员为第一作者,徐时清教授为通讯作者。

徐教授课题组报道了两种通用方法对时间维度的多色体系演变进行调控。第一种是核@壳结构的氟化物纳米粒子,在受到X射线激发后,可形成时间依赖的余辉颜色演变过程(图1中Type I)。另一种是核@壳@壳结构的氟化物纳米粒子,同时具备余辉、上转换(UC)和下转移(DS)的发光特点,能形成不同波长激发条件下的时间颜色演变(图1 中Type II)。

图1 两种时间维度多色演变体系示意图

课题组通过创新性地在NaLuF4基质晶格中引入Na+间隙,大幅增强了稀土激活离子(Tb,Dy,Pr和Sm)的X射线余辉发光,结合光谱分析与第一性原理计算,提出了Na+间隙促进阴离子弗兰克缺陷的形成机制;采用核壳结构空间分离不同类型的稀土激活离子,实现了无外场刺激条件下依赖于时间维度的多种余辉颜色演变体系(图2)。

图2 无外场刺激条件下依赖于时间维度的多种X射线激发余辉颜色演变体系

此外,徐教授课题组还设计了能够同时产生上转换(UC)、下转移(DS)与X射线激发余辉发光(XEA)的三层核壳纳米晶,阐明了共掺稀土激活离子抑制余辉发光的机制,实现了不同激发波长条件下依赖于时间维度的余辉颜色演变(图3)。研究结果为实现依赖于时间维度的颜色演变体系提供了宝贵的普适性策略。

图3 核壳纳米晶不同激发波长条件下依赖于时间维度的余辉颜色演变

多维显示器件应用展望

    文章结尾用一个有趣的实验为读者展示了XEA材料在多维显示器件中的应用场景(图4)。作者分别使用了Tb@Ce/Sm@Yb/Tm, Tb@Pr,和NaLuF4:Yb/Tm(仅具有核结构)的纳米粒子作为绘画原料画出云朵、树木和小船。采用仅具有核结构的NaLuF4:Yb/Ho and NaLuF4:Pr画出月亮,而湖泊则使用Na3HfF7:Yb/Er和NaLuF4:Yb/Ho(仅有核结构)的混合物绘画得到。然后使用X射线对这幅画进行照射。当X射线照射停止后,画面显示出绿色的云彩、红色的月亮,黄色的树木和蓝绿色的湖泊。在经过30s后,画面的亮度变暗了,而树木却变成了绿色。当使用980nm激光和254nm的紫外灯同时照射这幅画的时候,云朵的颜色从绿色变成了红色,月亮则从之前的红色变成了黄色,树木的颜色由黄色变成绿色,而湖泊的颜色从蓝绿色变成了红色,蓝色的船也出现了。

图4 XEA材料在多维显示器件中的潜在应用

关于此文章的更多细节请点击以下原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-33489-1

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