稀土无机发光材料：电子结构、光学性能和生物应用.docx

《中国科学》杂志社
SCIENCE CHINA PRESS
关键词
稀土发光
电子结构
激发态动力学
上转换
荧光生物标记
SCIENTIA SINICA Chimica
专题论述 配位化学与功能材料专刊
稀土无机发光材料：电子结构、光学性能和 生物应用
郑伟，涂大涛，刘永升，罗文钦，马恩，朱浩淼，陈学元*
中国科学院光电材料化学与物理重点实验室 ；中国科学院福建物质结构研究所 ，福州350002
*通讯作者,E-mail: ******@
收稿日期：2013-10-08;接受日期：2013-10-31;网络版发表日期：2014-01-09
doi: -00041
摘要 目前，稀土无机发光材料在激光、光通讯、平板显示、荧光生物标记和纳米光电子
（从Ce到Yb）是一类性能优异的结构和光谱探针 其在不同介质材料中的光学性能主要取决于其局域态的电子结构和激发态动力学 .对稀土
发光材料开展深入的光学和光电子学基础研究有助于发现新颖的光学性能或开辟新的应用 ，本课题组致力于稀土无机 发光材料电子结构与性能研究，近年来在发光材料的控制合成、电子结构、光学性能及生物 突破，实现稀土资源的高值利用.
1引言
稀土作为我国白^战略资源，实现稀土高值利用 和产业链延伸一直是我国稀土产业长期发展的战略 稀土离子在不同介质材料中的光学性能主要取决于 其局域态的电子结构和激发态动力学 [1~3],对稀土
发光材料开展深入的光学和光电子学基础研究有助 于发现新颖的光学性能或开辟新的应用领域 .依托
研制的低温高分辨激光光谱和上转换量子产率等仪 器，本课题组致力于稀土无机发光材料电子结构与 性能的研究，近年来在发光材料的控制合成、电子 结构、光学性能及生物应用等方面取得了系列重要 生物应用的突破， 综述了本课题组近年来在稀土发光材料方面的研究
工作，包括发光材料的先进测试平台研制、发光材 料的电子结构、激发态动力学与光学性能研究及其 生物应用探索.
2发光材料的电子结构
如何提高发光材料的量子产率和光 /热稳定性等 质材料中的光学性能主要取决于其局域态的电子结 构和激发态动力学.
低温高分辨激光光谱测试系统的研制
为揭示发光材料的电子结构和激发态动力学，本 课题组研制了低温高分到激光光谱测试系统 .与光电 子材料的研发相比，我国在高端光谱学测试仪器研制 、一体化的荧光光谱仪分辨率
和扩展性受到严重限制，无法满足高分辨、超快和低 温(< 4 K)，我们集成研 制了低温高分辨激光光谱测试系统(图1),仪器综合性 能指标优异( nm,最短荧光寿命 为11 ps,激光波长紫外到近红外连续可调，光谱响应 200~1700 nm,最低温度为3 K,低温下换样时间小于 5 min 等).
对于该系统的技术创新概述如下：(1)模块化和 开放式光路设计，具有非常好的系统扩展性，集成多 种激光光源(皮秒可调谐激光，纳秒OPO激光和连续 Xe灯等)，充分利用低温光学恒温器的 4个光学窗口
来设计光路，满足各种实验需求[4]； (2)采用多光栅组 合、快响应微通道板型光电倍增管和时间相关单光子 计数等技术，实现了高灵敏度(阿瓦级，10 18 W)和高 分辨率( nm)的超微弱荧光信号探测，其分辨率 比最好的商用光谱仪提高了近 20倍；(3)采用闭循环 交换气型低温光学恒温器和自主设计的低温样品杆 [5],
克服了常规谱仪低温下无法换样的弊端，低温下换样 时间仅需5 min; (4)可测荧光寿命最短极限为10 ps; 实现了 3K下皮秒瞬态荧光的快速检测.
稀土掺杂氧化物半导体发光材料
稀土离子和半导体纳米晶(或量子点)本身均是 很好的发光材料，二者的有效结合能否产生新型高 效的发光或激光器件一直是国内外学者感兴趣的课
否有效掺杂到半导体纳米晶格[6, 7].由于稀土离子和 基质阳离子的离子半径差异大，电荷不匹配，三价稀 土离子一般很难以替代晶格位置的形式掺入 ZnO和