多色發(fā)光材料

多色發(fā)光材料在多通道生物檢測、高密度信息存儲、多維度顯示以及多功能光電器件等領(lǐng)域具有重要的科學(xué)與應(yīng)用價值。目前調(diào)控多色發(fā)光的方法主要是改變材料化學(xué)組分或外場刺激條件，比如激發(fā)源、溫度、壓力、電場、磁場等。這些方法需要進(jìn)行復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)合成和對外場刺激進(jìn)行動力學(xué)調(diào)制。相比而言，利用余輝發(fā)光材料實現(xiàn)依賴于時間維度的顏色演變，能夠有效避免因使用外場刺激條件而產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)。然而，關(guān)于無外場刺激條件下依賴于時間維度的顏色演變體系鮮有報道。

中國計量大學(xué)團(tuán)隊在時間維度的顏色演變研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

近日，中國計量大學(xué)光電學(xué)院徐時清教授團(tuán)隊在時間維度的顏色演變研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，研究成果以“Manipulation of time-dependent multicolour evolution of X-ray excited afterglow in lanthanide-doped fluoride nanoparticles”為題發(fā)表在國際著名期刊Nature Communications (2022, 13: 5739)上，并被Nature Communications編輯選為Research Highlight重 點推薦。中國計量大學(xué)雷磊副研究員為第 一作者，徐時清教授為通訊作者。

 徐教授課題組報道了兩種通用方法對時間維度的多色體系演變進(jìn)行調(diào)控。第 一種是核@殼結(jié)構(gòu)的氟化物納米粒子，在受到X射線激發(fā)后，可形成時間依賴的余輝顏色演變過程（圖1中Type I）。另一種是核@殼@殼結(jié)構(gòu)的氟化物納米粒子，同時具備余輝、上轉(zhuǎn)換（UC）和下轉(zhuǎn)移（DS）的發(fā)光特點，能形成不同波長激發(fā)條件下的時間顏色演變（圖1 中Type II）。

圖1 兩種時間維度多色演變體系示意圖

課題組通過創(chuàng)新性地在NaLuF4基質(zhì)晶格中引入Na+間隙，大幅增強(qiáng)了稀土激活離子（Tb，Dy，Pr和Sm）的X射線余輝發(fā)光，結(jié)合光譜分析與第 一性原理計算，提出了Na+間隙促進(jìn)陰離子弗蘭克缺陷的形成機(jī)制；采用核殼結(jié)構(gòu)空間分離不同類型的稀土激活離子，實現(xiàn)了無外場刺激條件下依賴于時間維度的多種余輝顏色演變體系（圖2）。

圖2 無外場刺激條件下依賴于時間維度的多種X射線激發(fā)余輝顏色演變體系

此外，徐教授課題組還設(shè)計了能夠同時產(chǎn)生上轉(zhuǎn)換（UC）、下轉(zhuǎn)移（DS）與X射線激發(fā)余輝發(fā)光（XEA）的三層核殼納米晶，闡明了共摻稀土激活離子抑 制余輝發(fā)光的機(jī)制，實現(xiàn)了不同激發(fā)波長條件下依賴于時間維度的余輝顏色演變（圖3）。研究結(jié)果為實現(xiàn)依賴于時間維度的顏色演變體系提供了寶貴的普適性策略。

圖3 核殼納米晶不同激發(fā)波長條件下依賴于時間維度的余輝顏色演變

多維顯示器件應(yīng)用展望

文章結(jié)尾用一個有趣的實驗為讀者展示了XEA材料在多維顯示器件中的應(yīng)用場景（圖4）。作者分別使用了Tb@Ce/Sm@Yb/Tm, Tb@Pr,和NaLuF4:Yb/Tm（僅具有核結(jié)構(gòu)）的納米粒子作為繪畫原料畫出云朵、樹木和小船。采用僅具有核結(jié)構(gòu)的NaLuF4:Yb/Ho and NaLuF4:Pr畫出月亮，而湖泊則使用Na3HfF7:Yb/Er和NaLuF4:Yb/Ho（僅有核結(jié)構(gòu)）的混合物繪畫得到。然后使用X射線對這幅畫進(jìn)行照射。當(dāng)X射線照射停止后，畫面顯示出綠色的云彩、紅色的月亮，黃色的樹木和藍(lán)綠色的湖泊。在經(jīng)過30s后，畫面的亮度變暗了，而樹木卻變成了綠色。當(dāng)使用980nm激光和254nm的紫外燈同時照射這幅畫的時候，云朵的顏色從綠色變成了紅色，月亮則從之前的紅色變成了黃色，樹木的顏色由黃色變成綠色，而湖泊的顏色從藍(lán)綠色變成了紅色，藍(lán)色的船也出現(xiàn)了。

 圖4 XEA材料在多維顯示器件中的潛在應(yīng)用

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https://www.nature.com/articles/s41467-022-33489-1

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