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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。這些方法需要進行復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)合成和對外場刺激進行動力學(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)團隊在時間維度的顏色演變研究領(lǐng)域取得重要進展
近日，中國計量大學(xué)光電學(xué)院徐時清教授團隊在時間維度的顏色演變研究領(lǐng)域取得重要進展，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**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行調(diào)控。*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*一性原理計算，提出了Na+間隙促進陰離子弗蘭克缺陷的形成機制；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，而湖泊的顏色從藍綠色變成了紅色，藍色的船也出現(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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