Er3+/Tm3+共掺镱基纳米晶上转换白光调控及应用

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.230210

摘要/Abstract

摘要：

稀土掺杂上转换白光材料在固态照明、液晶显示器和信息防伪等领域具有重要应用前景。然而，以前的工作主要集中在惰性基质材料体系，难以大幅提升敏化剂掺杂浓度，大大限制了上转换白光发射强度。为解决这一问题，提出一种基于LiYbF₄@LiYF₄的核壳纳米结构设计，以敏化剂LiYbF₄基质为晶核并掺杂适当浓度的激活剂Er³⁺和Tm³⁺，成功实现980 nm激发的上转换白光发射。进一步设计了LiYbF₄∶Er/Tm@LiYbF₄@LiYF₄∶Nd核壳壳结构，利用Nd³⁺吸收808 nm激发光，实现了980和808 nm双通道激发的上转换白光发射。将白光上转换纳米晶结合940 nm近红外芯片封装成发光二极管（LED）器件，施加300 mA电流激发出明亮的白光，展示了其在白光LED方面的应用潜力。

关键词: 上转换发光, 稀土纳米晶, 核壳结构, 白光, 发光二极管

Abstract:

Lanthanide ions doped white-light upconversion materials have important applications in solid state lighting， liquid crystal display and information anti-counterfeiting. However， previous research mainly focus on inert matrix materials， which are difficult to significantly increase the concentration of sensitizer， limiting the emission intensity of white-light upconversion. Herein， a LiYbF₄@LiYF₄ core-shell nanostructure design is proposed. By using the sensitizing LiYbF₄ nanocrystals as host doping with appropriate concentrations of Er³⁺ and Tm³⁺ activators， white-light upconversion emission is successfully achieved under 980 nm excitation. The LiYbF₄∶Er/Tm@LiYbF₄@LiYF₄∶Nd core-shell-shell nanostructure is further designed to realize the white-light emission under 980 and 808 nm dual-channel excitation through using additional sensitizer Nd³⁺. Finally， a package of both white-light upconversion nanoparticles and 940 nm near-infrared chips into LED device contributes to bright white-light emission by applying 300 mA current， showing great potential in white LED.

Key words: Upconversion luminescence, Lanthanide nanocrystals, Core-shell structure, White-light emission, Light-emitting diode

中图分类号:

O614.3

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图/表 5

图1 （A） LiYbF4∶Er（0.5%）/Tm（1%）核和LiYbF4∶Er（0.5%）/Tm（1%）@LiYF4核壳纳米晶的X射线衍射图；（B） LiYbF4∶Er（0.5%）/Tm（1%）纳米晶的透射电子显微镜图；（C） LiYbF4∶Er（0.5%）/Tm（1%）@LiYF4核壳纳米晶的透射电子显微镜图

Fig.1 （A） XRD patterns of LiYbF4∶Er（0.5%）/Tm（1%） core and LiYbF4∶Er（0.5%）/Tm（1%）@LiYF4 core-shell nanoparticles；（B） TEM of patterns of LiYbF4∶Er（0.5%）/Tm（1%） core nanoparticles；（C） TEM of patterns of LiYbF4∶Er（0.5%）/Tm（1%）@LiYF4 core-shell nanoparticles

图2 （A） LiYbF4∶Er（0.2%~2%）/Tm（1%）@LiYF4核壳纳米晶在980 nm激发的上转换发射光谱；（B）图2A样品发光颜色的CIE色坐标图；（C） LiYbF4∶Er（0.5%）/Tm（0.4%~1%）@LiYF4核壳纳米晶在980 nm激发的上转换发射光谱；（D）图2C样品发射颜色的CIE色坐标图

Fig.2 （A） Up-conversion emission spectra of LiYbF4∶Er（0.2%~2%）/Tm（1%）@LiYF4 core-shell nanoparticles undert 980 nm excitation；（B） CIE chromaticity diagram of the samples in Fig.2（A）；（C） Up-conversion emission spectra of LiYbF4∶Er（0.5%）/Tm（0.4%~1%）@LiYF4 core-shell nanoparticles under 980 nm excitation；（D） CIE chromaticity diagram of the samples in Fig.2（C）

图3 LiYbF4∶Er/Tm@LiYF4核壳纳米晶中稀土离子之间的能量传递过程示意图

Fig.3 Schematic diagram of the energy transfer process between lanthanide ions in LiYbF4∶Er/Tm@LiYF4 core-shell nanoparticles

图4 （A） LiYbF4∶Er（0.5%）/Tm（0.6%）@LiYbF4@LiYF4∶Nd（15%）核壳壳结构及能量传递示意图；（B） 808和980 nm激光激发（A）样品的上转换发射光谱；（C） 808 nm和（D）980 nm激光激发 LiYbF4∶Er（0.5%）/Tm（0.6%）@LiYF4∶Yb（20%）@LiYF4∶Nd（15%）核壳壳纳米粒子和（A）样品的发射光谱对比图。 808和980 nm激光激发功率密度： 71 W/cm2

Fig. 4 （A） Schematic diagram of energy transfer in LiYbF4∶Er（0.5%）/Tm（0.6%）@LiYbF4@LiYF4∶Nd（15%） core-shell-shell structure；（B） Up-conversion emission spectra of the sample in （A） under 808 and 980 nm excitation， respectively；（C） and （D） Comparison of up-conversion emission spectra between LiYbF4∶Er/Tm（0.5%/0.6%）@LiYF4∶Yb（20%）@LiYF4∶Nd（15%） core-shell-shell nanoparticles and the sample in （A） at 808 and 980 nm excitation， respectively. Excitation power density of 808 and 980 nm laser： 71 W/cm2

图5 LiYbF4∶Er（0.5%）/Tm（0.6%）@LiYF4纳米晶体结合940 nm近红外芯片封装器件在（A）未施加电流的外观形貌照片与（B）施加300 mA正向电流下的白光发射照片；（C） LED器件发射光谱；（D） LED器件的CIE坐标

Fig.5 LiYbF4∶Er（0.5%）/Tm（0.6%）@LiYF4 nanoparticles combined with 940 nm NIR chip package （A） without applied current appearance photo and （B） with applied 300 mA forward current white light emission photos；（C） Emission spectrum of LED device；（D） CIE coordinates of LED device

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Er³⁺/Tm³⁺共掺镱基纳米晶上转换白光调控及应用

White-Light Upconversion and Application of Er³⁺/Tm³⁺ Co-Doped Ytterbium-Based Nanoparticles

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